L1 - Linii de transmisie

download L1 - Linii de transmisie

If you can't read please download the document

  • date post

    01-Jul-2015
  • Category

    Documents

  • view

    1.308
  • download

    8

Embed Size (px)

Transcript of L1 - Linii de transmisie

Caracteristicile liniilor de transmisieObiective Dupa incheierea acestui capitol vei fi familiarizat cu bazele liniilor de transmisie.Vei fi capabil sa descrii diferitele tipuri de linii de transmisie si cum sunt ele folosite.Vei stii cum sa determini circuitul echivalent al unei linii de transmisie.Vei fi familiarizat cu, conceptul de impedanta caracteristica si impedanta echivalenta. Idei fundamentale Informatii de baza despre linii de transmisie O linie de transmisie este un dispozitiv conducator folosit pentru a transfera energie sub forma de unde electromagnetice de la o sursa(generator) la o sarcina.In televiziune si radio liniile de transmisie sunt folosite pentru a conecta transmitatorii la antene, sau antenele la receptori, asa cum arata si figura 1-1

Figura 1-1 Sistem radio elementar Liniile de transmisie sunt deasemenea folosite in telefonie si sisteme de transmisii de date pentru a purta semnale pe distante lungi, asa cum se arata in figura 1-2. Liniile de transmisie sunt folosite in sisteme cu microunde pentru a purta energie electromagnetica. Ele sunt deasemenea folosite in retele optice de cablu de televiziune,dupa cum arata figura 1-3. Sistemele de fibra optica sunt folosite pentru a purta semnale luminoase, pe cand liniile de transmisie coaxiala sunt folosite ca si cabluri de alimentere.

Figura 1-2 Sistem telefonic elementar

Conditii tranzitorii si de stabilitate la o linie de transmisie Liniile de transmisie pot purta diferite tipuri de semnale. De exemplu sunt deseori folosite pentru transmiterea pulsurilor(la frecvente joase) si a semnalelor de comunicatie (la frecvente inalte). In unele aplicatii, cum ar fi telefonia sau retele de calculatoare, semnalele digitale parcurg linia.Aceste linii sunt facute pentru a opera in conditii tranzitorii deoarece dureaza ceva timp pentru fiecare puls de pe linie sa ajunga la o valoare stabila. In alte aplicatii, semnalele sinusoidale se repeta periodic pe linie.Aceste linii sunt facute pentru a opera in conditii stabile deoarece semnalele expun doar schimbarile neglijabile dupa o perioada lunga de timp.

Figura 1-3 Sistem hibrid de televiziune prin cablu

Tipuri de linii de transmisie si aplicatie Exista diferite tipuri de linii de transmisie. Fiecare tip de linie are proprietati diferite care afecteaza transmisia: latimea benzii, atenuarea si zgomotul sau interferentele. Sunt folosite diferite parti ale spectrului de frecventa electromagnetica, depinzand de tipul de linie de transmisie si de cererile de comunicatie. Asa cum arata figura 1-4 majoritatea spectrelor electromagnetice sunt invizibile.Frecventele joase ale spectrului include undele radio,microundele si radiatiile infrarosu. Lumina devine vizibila pe o scara redusa. Frecventele inalte includ razele ultraviolete , razele X si cele gamma. Urmatoarele tipuri de linii de transmisie sunt frecvent folosite: liniile deschise cu 2 canale liniile cu perechi rasucite liniiile cu perechi infasurate linii coaxiale purtatoare de unde fibre optice

Figura 1-4 Spectrul electromagnetic Liniile deschise cu 2 canale constau in 2 conductoare paralele care sunt despartite cativa centimetri si sunt sustinute de separatoare amplasate la intervale egale, asa cum arata figura 1-5. Acest tip de linii este de obicei folosit pentru conexiuni pe distante scurte pentru linii de tensiuni inalte si in linii de telefonie rurala. Este susceptibila la zgomot, ieftina si simpla.

Figura 1-5 Linie deschisa cu doua fire

Linia cu 2 canale este si linia bifilara cand conductoarele paralele sunt inzolate de un material dielectric asa cum arata figura 1-6. Acest tip de linie este deseori folosit pentru a conecta televizorul la antenna.

Figura 1-6 Linie bifilara Linia cu perechi torsadate consta in 2 conductoare invelite intr-un material izolator si rasucite impreuna pentru a face linia flexibila, asa cum arata figura 1-7.Acest tip de linie este folosit pentru conexiuni pe distante scurte. Nu este recomandat pentru transmisia semnalelor de frecvente inalte din cauza pierderilor importante care apar in materialul izolator.

Figura 1-7 Linie torsadata Liniile cu perechi izolate constau in 2 conductoare paralele inconjurate si separate printr-un material puternic dielectric, asa cum arata figura 1-8. Materialul dielectric este inconjurat de sarma de cupru bobinata care actioneaza ca un camp electric. Intregul ansamblu este asezat intr-un material flexibil protector. Avantajul principal al acestui tip de linie este faptul ca conductoarele sunt izolate de sursele externe de zgomot.

Figura 1-8 Linie cu perechi izolate Linia coaxiala este folosita pentru cablurile de televiziune. Este fabricata in 2 tipuri: rigida sau flexibila. Ambele tipuri sunt construite in acelasi fel: un conductor intern este inconjurat de un conductor extern tubular. Acest tip de conductor minimizeaza pierderile de radiatii, cat si interferentele de la alte linii.

In cazul liniei coaxiale flexibile, aratata in figura 1-9, conductorul intern este izolat de cel extern printr-un material puternic dielectric. Conductorul extern consta intr-un strat impletit de cupru, dand cablului flexibilitate. Acest tip de linie minimizeaza impactul radiatiilor electromagnetice si efectul pelicular.

Figura 1-9 Linie coaxiala (flexibila) In cazul liniei coaxiale rigide conductorul intern este izolat de cel extern prin separator la intervale regulate. Acest tip de linie minimizeaza pierderile si interferentele de la alte linii.

Ghidul de unde este un mediu de transmisie care ghideaza propagarea undelor electromagnetice. In mod normal consta intr-un conductor metalic gol, de obicei cilindric, rectangular sau eliptic, asa cum arata figura 1-10. Acest tip de purtator de unde poate contine, in anumite conditii, un material dielectric solid sau gazos. Purtatorii de unde sunt folositi in sistemele cu microunde radio.

Figura 1-10 Giduri de unda In final, fibra optica este creata special pentru a transmite lumina,care poate fi modelata ca o unda electromagnetica. Fibra optica consta intr-un conductor central numit miez, facut din sticla sau plastic, asa cum arata figura 1-11. Miezul este incercuit de un invelis protector.Intregul ansamblu este asezat intr-o fasa protectoare. Avantajele fibrei optice sunt latimile de banda mari, imunitatea la zgomot si dimensiunile mici.

Figura 1-11 Fibra optica

Impedanta In circuitele de curent alternativ rezistenta unui component la fluxul de curent se numeste impedanta. Impedanta se noteaza Z. Se masoara in ohmi. Este cuantificata de un nr complex ce poate fi exprimat intr-o forma carteziana sau polara, cum se arata in figura 1-12.

in forma polara, cu o rezistenta R,exprimata in ohmi,si la un anume unghi ,in grade sau radiani: R < in forma dreptunghiulara, cu o componenta adevarata sau pur rezistiva R si o componenta reactiva (jX), amandoua exprimate in ohmi: R+- jX.

Figura 1-12 Forma polara si carteziana Atat timp cat consta intr-un numar complex, impedanta poate fi reprezentata pe o diagrama carteziana ca un vector trasat din origine ca in figura 1-13. Axa orizontala a diagramei se numeste axa reala si corespunde axei rezistentei R. Axa verticala este numita imaginara si corespunde axei reactantei jX.

Figura 1-13 Reprezentarea carteziana

Cand impedanta este: pur rezistiva, atunci Z=R+j0, sau R 0.5V/diviziune (Sensivity > 0.5V/div) Cuplajul de intrare > curent continuu (Input Coupling > DC) Unitatea de timp > 5s/diviziune (Time base > 5s/div) Intrerupator (Trigger) Sursa > externa (Source > External) Nivel > 0.3V (Level > 0.3V) Impedanta de intrare > 1M sau mai mult (Input impedance > 1M or more) 5. Priviti semnalul de iesire al generatorului de semnal treapta pe ecranul osciloscopului. Este acest semnal un raspuns dreptunghiular cu frecventa de 20s corespunzator figurii 1-31? Da Nu

Fig. 1-31 Semnalul de iesire al generatorului de semnal treapta 6. In sectiunea de sarcina rotiti incet potentiometrul rezistentei R1 in sens trigonometric la maxim pentru a cauza scaderea impedantei de iesire a generatorului de semnal treapta de la 500 la 0. In timpul acestei operatii observati ce se intampla cu raspunsul semnalului de iesire al generatorului de semnal treapta de pe ecranul osciloscopului. 7. In sectiunea de sarcina comutati toate intrerupatoarele pe pozitia 0, masurati tensiunea raspunsurilor semnalelor de pe ecranul osciloscopului, aceasta este tensiunea Thevenine de iesire BNC 50 a generatorului de semnal treapta, ETH. ETH = _______ V 8. Conectati intrarea sectiunii de sarcina la comun prin rezistenta R1, regland intrerupatoarele corespunzatoare din aceasta sectiune pe pozitia 1. Ajustati potentiometrul rezistentei R1 pana cand tensiunea raspunsurilor semnalului de pe ecranul osciloscopului devine egala cu jumatate din tensiunea Thevenin masurata la pasul anterior. ETH/2 = _______ V 9. Folosind un ohmmetru, masurati rezistenta dintre intrarea sectiunii de sarcina si comun (setarea curenta a rezistentei R1). Din moment ce rezistenta R1 a fost reglata sa creeze o cadere de tensiune de ETh/2 a iesirii BNC 50 a generatorului de semnal treapta, setarile rezistentei R1 corespund impedantei Thevenin in acest punct ZTH. - Deconectati capatul cablului coaxial conectat la intrarea sectiunii de sarcina prin mufa BNC. (Lasati celalalt capat conectat la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal treapta.) - Deconectati capatul de masura al osciloscopului de la turetul de intrare al sectiunii de sarcina. - Tine varful unui capat de masurare al ohmmetrului pe turetul intrarii sectiunii de sarcina iar in acelasi timp atingeti cealalta tureta din apropierea comunului (L) cu celalalt cap de masurare al ohmmetrului. - Noteaza mai jos rezistenta masurata, ZTH. ZTH = _______ 10. Reconectati cablul coaxial care vine de la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal treapta la intrarea BNC a sectiunii de sarcina. 11. Conectati intrarea sectiunii de sarcina la comun prin rezistenta R4 (rezistenta de 100) comunand intrerupatorul corespunzator din aceasta sectiune pe pozitia 1. Reconectati canalul 1 al osciloscopului la tureta de la intrarea sectiunii de sarcina.

12. Masurati tensiunea raspunsurilor de pe ecranul osciloscopului. Aceasta este tensiunea VL dintre capatul 100 conectat la generator si iesirea generatorului de semnal treapta VL = _______ V 13. Utilizand tensiunea Thevenin, ETH si impedanta Thevenin, ZTH masurate la pasii 7 si 9 ai exercitiului, folositi regulile divizorului de tensiune pentru a calcula tensiunea teoretica pe sarcina ZL=100 conectata la iesirea generatorului de semnal treapta: Z V = E Z + Z Este rezultatul calculat aproximativ egal cu tensiunea VL masurata la pasul anterior? Da Nu 14. Deconectati circuitul scotand toate cablurile si capetele de masurare ale aparatelor. Determinarea Echivalentului Thevelin la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal Acum, determinati echivalentul Thevelin la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal: - Regerindu-va la fig. 1-32, conectati iesirea BNC 50 a generatorului de semnal la conectorului BNC de intrare al sectiunii de sarcina, utilizand un cablu coaxial scurt. - Apoi, conectati iesirea BNC 100 a generatorului de semnal la trigger-ul de intrare al osciloscopului, utilizand un cablu coaxial. - In final, folosind capatul de masurare, conectati canalul 1 al osciloscopului la tureta imediat urmatoare conectorului BNC al intrarii sectiunii de sarcina. Asigurati-va ca ati conectat cablul de masa al capatului de masura la tureta asociata comunului. 15.

Fig. 1-32 Iesirea generatorului de semnal 50 conectata la canalul 1 al osciloscopului si la intrarea sectiunii de sarcina 16. In sectiunea de sarcina setati toate intrerupatoarele pe pozitia 0. Aceasta face ca impedanta de iesirea a sarcinii pentru generatorul de semnal sa fie in circuit deschis cu conditia ().

17.

Efectuati urmatoarele setari pt osciloscop: Canalul 1 (Channel1) Mod > normal (Mode > Normal) Sensibilitate > 1V/diviziune (Sensivity > 1V/div) Cuplajul de intrare > alternativ (Input Coupling > AC) Unitatea de timp > 0.1s/diviziune (Time base > 0.1s/div) Intrerupator (Trigger) Sursa > externa (Source > External) Nivel > 0.3V (Level > 0.3V) Impedanta de intrare > 1M sau mai mult (Input impedance > 1M or more)

18. Ajustati frecventa de iesire a semnalului generatorului de semnal la 3MHz. Pentru a face asta rotiti potentiometrul de frecventa a acestui generator pana cand perioada T a semnalului sinusoidal afisat pe osciloscop este de 0.33s aproximativ, dupa cum reiese si din fig. 1-33. Pentru a ne asigura ca potentiometrul frecventei este reglat corect putem verifica daca tensiunea la iesirea de referinta a generatorului de semnal este de 3V (folosind un voltmetru in curent continuu).

Fig. 1-33 Frecventa semnalului de iesire din generatorul de semnal setata la aproximativ 3 MHz Masurati amplitudinea varfului pozitiv al tensiunii sinusoidale pe ecranul osciloscopului. Aceasta este tensiunea Tevenin pe iesirea BNC 50 a generatorului de semnal ETH. ETH = _______ VPK 19. Conectati intrarea sectiunii de sarcina la circuitul comun prin rezistenta R1 prin ajustarea intrerupatoarelor corespunzatoare pe pozitia 1 (deschis). Rotiti potentiometrul rezistentei R1 pana cand varful amplitudinii tensiunii sinusoidale de pe ecranul osciloscopului este egala cu jumatate din tensiunea Thevenin masurata la pasul anterior. ETH/2 = _______ VPK 20. Folosint un ohmmetru masurati rezistenta dintre intrarea sectiunii de sarcina si circuitul comun din moment ce rezistenta R1 a fost reglata sa creeze o cadere de tensiune egala cu ETH/2 la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal, setarile rezistentei R1 corespund impedantei Thevenin (ZTH) pt aceasta iesire:

- Deconectati cablul coaxial conectat la conectorul BNC de la intrarea sectiunii de sarcina - Deconectati capatul de masura al osciloscopului de la tureta de proba de pe intrarea sectiunii de sarcina - Tineti varful unuia dintre capetele de masura ale ohmmetrului pe una dintre turetele de pe intrarea sectiunii de sarcina in timp ce atingeti cu celalt cap de masura tureta L a circuitului comun din apropiere. - Inregistrati mai jos rezistenta ZTH masurata. ZTH = _______ 21. Opriti circuitul de baza si deconectati toate cablurile si toate capetele de masura ale aparatelor.

Concluzii Circuitul cu linii de transmisie are 5 sectiuni: liniile de transmisie, sursa auxiliara de intrare, generator de semnal treapta, generator de semnal si sarcinile. Echivalentul Thevenin al generatoarelor de semnal treapta sau de semnal poate fi calculat la oricare dintre iesirile BNC. Pentru a face asta tensiunea de iesire a generatorului se masoara fara sarcina conectata la iesirea generatorului. Tensiunea astfel masurata corespunde cu tensiunea Thevenin, ETH. Apoi, o sarcina variabila este conectata la iesirea generatorului si este reglata pana cand tensiunea in circuit este egala cu jumatate din ETH. In aceasta conditie sarcina impedantei care corespunde impedantei Thevenin ZTH poate fi masurata cu un ohmmetru. ZTH nu corespunde in mod obligatoriu valorii nominale a rezistentei iesirii BNC unde este masurata. Odata ce echivalentul Thevenin la iesirea generatorului este cunoscut si o sarcina este conectata la aceasta iesire, tensiunea aplicata acestei sarcini este determinata cu ajutorul regulii divizorului de tensiune.

Exercitiul 1-2VITEZA DE PROPAGARE

Scopul lucrarii In urma efectuarii acestui exercitiu veti sti cum sa masurati viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie folosind metoda raspunsului la treapta. Bazat pe masuratori veti sti cum sa determinati permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea acestei linii. Viteza de propagare Un semnal radio calatoreste in spatiul liber la viteza luminii. Intr-o linie de transmisie un semnal va calatori la o viteza relativ mai mica. Acest lucru se datoreaza in mare parte prezentei unui material dielectric folosit la fabricarea liniei. De fapt viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie vp depinde de inductanta distribuita si capacitatea liniei, Lsi C (vezi figura 1-34) Ecuatia de calcul pentru vp este: 1 v = LC unde: vp = viteza de propagare L = inductanta distribuita C = capacitatea distribuita

Fig. 1-34 Circuitul echivalent al unei linii de transmisie cu 2 conductori Metoda raspunsului la treapta Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie poate fi masurata folosind metoda raspunsului la treapta. Aceasta metoda necesita ca un generator de treapta si un capat de masura al unui osciloscop cu impedanta ridicata sa fie conectate la capatul de emitere al liniei, printr-o punte de conexiune ca in fig. 1.35. Capatul de receptie al acestei linii este lasat liber.

Fig. 1-35 Masurarea vitezei de propagare a semnalului utilizand metoda raspunsului la treapta Propagarea semnalului prin linie este descrisa in cele ce urmeaza: La timpul t = 0 generatorul de semnal treapta lanseaza o tensiune pozitiva crescatoare VI in linie. Latura crescatoare a VI se numeste semnal treapta. Aceast semnal este incident deoarece vine dintr-un generator si va calatori pe linie catre o posibila sarcina posibil reflectanta. Rata incidenta VI se propaga la o anumita viteza vp de-a lungul liniei. Ajunge la capatul receptor al liniei dupa un anumit timp te tranzit T. Acolo nivelul sau a scazut cu o anumita valoare datorita rezistentei liniei. Deoarece impedanta sarcinii la capatul receptor al liniei este in conditie de circuit deschis, aceasta nu se potriveste impedantei caracteristice a liniei. Aceasta eroare de impedanta cauzeaza ca semnalul incident sa fie reflectat inapoi catre generator. Semnalul reflectat VR ajunge inapoi la generatorul de semnal treapta dupa un timp egal cu dublul timpului de tranzit, 2T. Semnalul la capatul de transmisie al liniei ca o functie de timp este semnalul de raspuns in treapta. Asa cum fig. 1.36 arata, acest semnal este suma algebrica a semnalului incident VI si al semnalului reflectat VR.

Fig. 1.36 Tensiunea la capatul emitator al liniei cu circuit deschis (semnal raspuns la treapta) Masurand timpul 2T pe ecranul osciloscopului, viteza de propagare a semnalului intr-o linie de transmisie vp poate fi determinat folosind formula: 2I v = 2T Liniile de transmisie care au pierderi si ale caror pierderi serioase sunt predominante vor aparea ca o retea simpla rezistenta-condensator (RC) pentru o perioada scurta de timp, urmand imediat lansarii tensiunii treapta, dupa cum arata fig. 1-37. Acest lucru se datoreaza componentelor de frecventa inalta ale tensiunii treapta.

Fig. 1-37 Linie cu pierderi, predominant pierderi in serie Constanta de timp T a retelei RC este determinata de constantele RS si C, care sunt la randul lor derivate din seriile rezistentei distribuite RS, seriile inductantei R si capacitatea paralela C a liniei. Drept urmare, constanta de timp a retelei RC este independenta de lungimea liniei. In acest caz semnalul incident si reflectat observat la capatul de transmisie al liniei va creste mai intai la un anumit nivel si apoi va creste exponential la o rata determinata de constanta de timp a retelei RC ca in fig. 1-38. Acest lucru nu impiedica masuratorile timpului 2T pe ecranul osciloscopului pentru calculul vitezei de propagare, insa e clar ca liniile cu pierderi cauzeaza o abatere in cresterea timpului tensiunii in treapta.

Fig. 1-38 Semnalul incident si reflectat la capatul emitator al unei linii cu pierderi, predominant pierderi in serie

Factorul viteza Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie este exprimata in mod normal ca un procent al vitezei luminii in spatiul liber. Acest procent este numit factor de viteza sau vF. De exemplu, o linie de transmisie cu vF de 66% va transmite semnale la aproximativ 66% din viteza luminii. v v = c 100

In cazul cablurilor coaxiale, factorul de viteza variaza intre 66% si aproximativ 85%. Tipul cablului coaxial Factorul de viteza, vF (%) RG-8 66 RG-58 66 RG-174 66 RG-400 70 RG-11 75 RG-316 79 NMR-195 83 RG-8X 84 LMR-400 85 Liniile de transmisie A si B ale circuitului sunt din cablul coaxial RG-174. Drept urmare au un facor de viteza teoretic de 66%. Permitivitate relativa (constanta dielectrica) Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie este determinata in principal de permitivitatea materialului dielectric folosit la constructia liniei. Permitivitatea este o marime a proprietatii materialului dielectric de a mentine o diferenta in sarcina electrica pe o suprafata data. Permitivitatea unui anumit material dielectric este exprimata in mod normal facandu-se referire la cea a vidului. Acest procent se numeste permitivitate relativa sau constanta dielectrica. Cand viteza de propagare intr-o linie de transmisie este stiuta, permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea acelei linii e un r poate fi determinata cu ajutorul ecuatiei: c = v Formula de calcul a permitivitatii relative arata ca o viteza mai mare de propagare indica o permitivitate relativa mai mica, din moment ce viteza luminii este o constanta. Material Permitivitate relativa Factor de viteza (%) vid 1.00000 100 aer 1.0006 99.97 teflon 2.10 69 2.27 66.4 polietilena polistiren 2.5 63.2 PVC 3.30 55 nilon 4.90 45.2 Sumar In aceasta sectiune de procedura veti masura viteza de propagare a tensiunii in treapta intrun circuit cu linii de transmisie. Bazandu-va pe viteza masurata veti determina permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea acestor linii. Mod de lucru Masurarea vitezei de propagare 1. Asigurati-va ca circuitul cu linii de transmisie este instalat corect in unitatea de baza, alimentati unitatea de baza si verificati ca ledul aflat langa fiecare buton de control este aprins, confirmand ca circuitul este alimentat corect. 2. Facand referire la fig. 1-39, conectati iesirea BNC 50 a generatorului de semnal treapta la conectorul BNC la capatul de emitere al liniei de transmisie A. Lasati conectorul BNC de la capatul de receptie al liniei de transmisie A neconectat. Apoi conectati iesirea BNC 100 a generatorului de semnal treapta la intrarea declansatorului osciloscopului printr-un cablu coaxial.

La sfarsit, folosind capatul de masura al unui osciloscop, conectati canalul 1 al osciloscopului la tureta de proba 0m de la capatul de emisie al liniei de transmisie A. Asigurati-va ca ati conectat impamantarea capatului de masura la scutul turetei din pozitia 0.

Fig. 1-39 Masurarea vitezei de propagare a semnalelor de tensiune din linia de transmisie A 3. Efectuati urmatoarele setari ale osciloscopului: Canalul 1 (Channel1) Mod > normal (Mode > Normal) Sensibilitate > 0.2V/diviziune (Sensivity > 0.2V/div) Cuplajul de intrare > curent continuu (Input Coupling > DC) Unitatea de timp > 0.2s/diviziune (Time base > 0.2s/div) Intrerupator (Trigger) Sursa > externa (Source > External) Nivel > 0.3V (Level > 0.3V) Impedanta de intrare > 1M sau mai mult (Input impedance > 1M or more) 4. Pe ecranul osciloscopului observati semnalul de raspuns al semnalului la capatul de emisie al liniei de transmisie A. Acest semnal corespunde semnalului de raspuns al liniei de transmisie A. Apare semnalul reflectat suprapus celui incident, in intervalul de timp care separa cele doua semnale cum arata in fig. 1-40? Da Nu

Fig. 1.40 Semnalul incident si reflectat pe transmitatorul liniei A 5. Observati ca semnalele incidente si reflectate mai intai urca pana la un anumit nivel si apoi cresc exponential cand sarcina electrica incarca condensatorul printr-o serie de rezistente. Aceasta indica faptul ca linia de transmisie are serii de pierderi predominante? Da Nu 6. Cand semnalul incident ajunge la capatul de receptie al liniei te transmisie A, este reflectat inapoi catre capatul emitent pentru ca: a) linia de transmisie A nu se termina cu o impedanta de sarcina egala cu impedanta Thevenin a generatorului de semnal treapta b) linia de transmisie A nu se termina cu o impedanta de sarcina egala cu impedanta sa caracteristica c) capatul de receptie al liniei de transmisie A este un circuit deschis, cauzand ca impedanta caracteristica a liniei sa fie infinita d) impedanta Thevenin a generatorului de semnal treapta nu este egala cu impedanta caracteristica a liniei de transmisie A 7. Micsorati diviziunea de timp pe osciloscop la 0.05s/Diviziune. Pe osciloscop masurati timpul dus-intors 2T, separand latura ascendenta a semnalului incident de latura ascendenta a semnalului reflectat asa cum arata figura 1-41. Acesta este timpul necesar pentru semnalul lansat de generatorul de semnal treapta sa parcurga distanta pana la capatul de receptie al liniei de transmisie A si inapoi la generatorul de semnal treapta. 2T = _____ 10-9s

Fig. 1-41 Timpul masurat 2T

8. Bazat pe timpul dus-intors 2T masurat la pasul anterior si pentru o lungime de 24 de metri a liniei, calculati viteza de propagare vP prin linie. 2I v = 2L vF = _____ 108 m/s 9. Exprimati viteza de propagare vP obtinuta la pasul anterior ca procent din viteza luminii sau factorul de viteza vF, folosind formula urmatoare. Rezultatele ar trebui sa fie aproape de valoare teoretica de 66% pt un cablu coaxial RG-174 (tipul de cablu folosit pentru liniile de transmisie A si B ale circuitului de pe placa). v v = 100% c 8 unde c = viteza luminii in vid (3.0 10 m/s) vF = _______ % Determinarea permitivitatii relative

Fig. 1-42 Marim lungimea liniei de la 24m la 48m 10. Bazandu-va pe viteza de propagare obtinuta la pasul 8 determinati permitivitatea relativa r a materialului dielectric folosit la fabricarea cablului coaxial RG-174 folosit pentru liniile de transmisie A si B. Rezultatul ar trebui sa fie foarte aproape de valoarea teoretica de 2.25 pentru polietilena (materialul dielectric al cablului coaxial RG-174 folosit pentru liniile de transmisie A si B). = r = _______

Efectul avut de o schimbare in lungimea liniilor asupra timpului dus-intors 2T 11. Dupa cum arata si fig. 1-42, creste lungimea liniei de la 24m la 48m printr-o conexiune capla-cap a liniilor de transmisie A si B. Pentru a obtine acest lucru legati conectorul BNC de la capatul de receptie al liniei de transmisie A la capatul de emisie al liniei de transmisie B folosind un scurt cablu coaxial. Lasati conectorul BNC de la capatul de receptie al liniei de transmisie B neconectat. 12. Schimbati diviziunea de timp a osciloscopului la 0.2s/diviziune. Observati ca timpul dusintors 2T separand latura ascendenta a semnalului incident de latura ascendenta a semnalului reflectat s-a dublat ca in fig. 1-43.

Fig. 1-43 Timpul dus-intors 2T, separand laturile ascendente ale semnalelor incident si reflectat, s-a dublat Timpul 2T s-a dublat pentru ca: a) viteza de propagare a scazut cu 1 factor sau 2 b) lungimea liniei s-a dublat c) permitivitatea relativa s-a dublat d) impedanta caracteristica a liniei s-a dublat 13. Pe ecranul osciloscopului observati ca semnalele incidente si reflectate mai intai urca la un anumit nivel si apoi cresc exponential la fel cum s-a intamplat cu linia mai scurta, de 24m. Aceste semnale cresc in acelasi ritm in care au crescut si pe linia cea scurta. Asta se intampla deoarece constanta de timp a aceleiasi retea RC in serie prezentata temporar de linie este determinata de a) impedanta caracteristica (constanta) b) serii de rezistenta totala si capacitate paralela a intregii linii c) rezistenta in serie, capacitate in paralel si inductanta in serie a liniei pe unitatea de lungime d) factorul viteza care e o constanta 14. Inchideti unitatea de baza si deconectati toate cablurile si capetele de masurare.

Concluzii Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie poate fi masurata folosind metoda de raspuns la treapta: un semnal treapta rapid-ascendent este transmis in linie. Timpul necesar pentru aceast semnal sa parcurga distanta de la generator la capatul de receptie al liniei si apoi inapoi la generator este masurat. Acest timp 2T permite calculul vitezei de propagare. Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie este doar un procent din viteza luminii in spatiul liber. Viteza de propagare intr-o linie de transmisie cand este exprimata ca un procent din viteza luminii in spatiul liner se numeste factor de viteza.

Viteza de propagare intr-o linie de transmisie se determina in principal prin permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea linie. Cu cat permitivitatea relativa este mai mica, cu atat viteza de propagare va fi mai mare.

COMPORTAMENTUL LINIEI DE TRANSMISIE SUB IMPEDANTA DE SARCINA REZISTIVAObiectivele exercitiului Dupa completarea acestui capitol, vor fi dobandite cunostinte despre felul in care o linie de transmisie la capatul careia se afla tipuri distincte de incarcari se comporta cand semnale de tip treapta sunt lansate pe linie. Vor mai fi facute cunoscute doua metode de determinare a impedantei caracteristice a unei linii de transmisie. Discutie Determinarea naturii impedantei de sarcina prin folosirea metodei raspunsului de tip treapta Cand o linie de transmisie este terminate de o sarcina a unei impedante necunoscute, metoda raspunsului trapta poate fi folosita pentru a determina natura acestei impedante ( fie ea pur rezistiva sau complexa?). Masuratorile sunt realizare folosind metoda raspunsului treapta. Un generator de semnal treapta si un osciloscop cu impedenta ridicata sunt conectate la capatul liniei de transmisie, folosind o conexiune de legatura, dupa cum arata figura 1-44: La timpul t=0, generatorul de semnal treapta produce un semnal incident, VI , care este lansat pe linie. Semnalul incident calatoreste de-a lungul liniei pana cand atinge capatul receptor al acesteia in timpul de tranzitie T. Daca impedanta de sarcina nu se potriveste perfect cu impedanta caracteristica a liniei, semnalul incident va resimti o schimbare in impedanta in timp ce paraseste linia de transmisie si intalneste sarcina. Acest lucru cauzeaza ca o parte din energia continuta in semnalul incident sa fie reflectata catre generator, decat sa fie absorbita de sarcina. Prin urmare, raspunsul semnalului de tip treapta observant la capatul receptor al liniei este suma algebrica a semnalului treapta incident, VI, si a semnalului treapta reflectat, VR .

Figura 1-44. Determinarea naturii impedantei de sarcina folosind metoda raspunsului de tip treapta Raspunsul semnalului de tip treapta poate avea cateva forme diferite, aceasta forma fiind determinate de natura impedantei de sarcina ZL . Cand ZLe pur rezistiva, tensiunea reflectata are aceeasi forma ca tensiunea incidenta, dupa cum arata figura 1-45.

Figura 1-45. ZL e pur rezistiva Cand ZL este si rezistiva si inductive, tensiunea reflectata in raspunsul semnalului de tip treapta are aceeasi forma ca tensiunea de-a lungul unui condensator ce se descarca printr-un resistor legat in serie. Astfel, acesta tensiune descreste exponential pana se stabilizeaza la un anumit nivel, dupa cum arata Figura 1-46.

Figura 1-46. ZL este si rezistiva si inductive Cand ZL este si rezistiva si capacitiva, tensiunea reflectata din raspunsul semnalului de tip treapta are aceeasi forma cu tensiunea de-a ungul unui condensator ce se incarca printr-un resistor legat in serie. Astfel, aceasta tensiune creste exponential pana se stabilizeaza la un anumit nivel, dupa cum arata figura 1-47.

Figura 1-47. ZL este si rezistiva si capacitive Impedanta de sarcina pur rezistiva Cand o impedanta de sarcina e pur rezistiva, tensiunea semnalului treapta reflectat de la impedanta aflata la capatul receptor al liniei, are aceeasi forma ca a semnalului incident. Magnitudinea si polaritatea acestei tensiuni sunt determinate de relatie dintre impedanta de sarcina ZL, si impedanta caracteristica Z0, dupa cum ne este indicat in ecuatia de mai jos:

unde T(V);

Z L Z 0 *V I ZL + Z0 VR = tensiunea semnalului treapta reflectat la capatul receptor al liniei cu un timp de trazit VR =

ZL = Impedanta de sarcina (); Z0 = Impedanta Caracteristica () VI = tensiunea semnalului incident la capatul receptor al liniei (V) Ecuatia indica urmatoarele: Cand ZL este mai mare decat Z0, tensiunea semnalului reflectat, VR, este de polaritate pozitiva. Prin urmare, tensiunea reflectata se aduna la semnalul incident cand se intoarce la capatul de transmitere al liniei , dupa cum arata Figura 1-48. Cand ZL este mai mic decat Z0, tensiunea semnalului reflectat, VR, este de polaritate negativa. Prin urmare, tensiunea reflectata se scade din semnalul incident cand se intoarce la capatul de transmitere al liniei, dupa cum arata Figura 1-48. Cand ZL este egal cu Z0, tensiunea semnalului incident este perfect absorbit de sarcina. Prin urmare, tensiunea reflectata nu exista in raspunsul semnalului de tip treapta, dupa cum arata Figura 1-48.

Figura 1-48. Comportarea unei linii de transmisie la capatul careia se afla o sarcina pur rezistiva In partea (b) a Figurii 1-48, observam ca tensiunea reflectata este aproximativ egala cu tensiunea VI cand impedanta de sarcina ,ZL , este infinita (). Tensiunea reflectata , VR , este egala cu VI cand ZL este infinita deoarece: Z 0 VR = *V I = V I + Z0 Determinarea impedantei caracteristice Principiile abia discutate sugereaza ca metoda raspunsului de tip treapta poate fi folosita pentru a masura impedanta caracteristica a unei linii de transmisie. Pentru a face acest lucru, o sarcina pur rezistiva, ZL, a carei rezistenta poate fi variata, este conectata la capatul receptor al liniei, ca in figura 1-49.

Figura 1-49. Masurarea impedantei caracteristice cu ajutorul unui resistor variabil conectat la capatul receptor al unei linii Rezistenta sarcinii este modificata pana cand nu mai apare tensiune reflectata in generatorul de semnal, dupa cum arata Figura 1-49. In acest caz, ZL este egal cu Z0 .Sarcina poate fi deconectata de la linie, si valoarea rezistentei poate fi masurata pentru a determina ZL . Cand capatul receptor al liniei nu este accesibil pentru conexiunea cu o sarcina de rezistenta variabila, exista o alta modalitate de a determina impedanta caracteristica a unei linii. Acesta metoda consta in masurarea tensiunii Vre , a semnalului incident, in generatorul de semnal. Metoda poate fi aplicata in fara a tine cont de natura impedantei de sarcina (vezi Figura 1-50): capacitiva; inductiva; pur rezistiva;

Figura 1-50: Masurarea tensiunii Vre a semnalului incident in scopul determinarii impedantei caracteristice Tensiunea Vre este determinate de impedanta afisata de generatorul de semnal imediat dupa ce se alimenteaza linia, dupa cum arata Figura 1-50. Aceasta impedanta este impedanta data a liniei, care este, de fapt, impedanta caracteristica a liniei. ETH Vre = *Z 0 Z TH + Z 0 unde Vre = Tensiunea semnalului incident (V); ETH = Tensiunea Thevenin a generatorului de semnal(V); ZTH = Impedanta Thevenin a generatorlui de semnal () Z0 = Impedanta caracteristica a liniei (). Rescriem si simplificam ecuatia de mai sus pentru a gasi Z0, si obtinem: Vre Z0 = *Z TH ETH Vre

Sumarul procedurii In aceasta sectiune, vom observa raspunsul treapta a unei linii de transmisie supusa unor impedante de sarcina pur resistive diferite. Vom masura apoi impedanta caracteristica a acestei linii, folosind diferite metode. PROCEDURA Raspunsul semnalului de tip treapta a unei linii de tranmisie supusa unor impedante diferite(pur resistive) 1. Asigura-te ca placa de circuit cu LINIILE DE TRANSMISIE este asezata corespunzator in unitatea de baza. Porneste unitatea si verifica daca ambele LED-uri de langa butonul de control sunt pornite, confirmand astfel ca placa de circuit este alimentata corespunzato. 2. Dupa cum arata figura 1-51, conecteaza iesirea GENERATORULUI DE SEMNAL 50- BNC la conectorul BNC de la capatul de transmitere din ZONA LINIEI DE TRANSMISIE A, folosind un cablu coaxial. Apoi, conecteaza conectorul BNC la capatul de receptie din ZONA LINIEI DE TRANSMISIE A cu conectorul BNC de la intrarea din sectiunea LOAD, folosind un cablu coaxial. Apoi conecteaza iesirea GENERATORULUI DE SEMNAL 100- BNC la intrarea osciloscopului, folosind un cablu coaxial. In final, folosind canalul osciloscopului, conecteaza canalul 1 al acestuia la canalul de 0metrii de la capatul de transmitere din ZONA LINIEI DE TRANSMISIE A. Asigura-te ca ai conectat conductorul canalului pentru impamantare la masa asociata. Note: Cand conectam canalul unui osciloscop la unul dintre cele 5 canale ale unei linii de transmisie, intotdeauna trebuie sa conectam conductorul canalului de impamantarea la ce-a mai apropiata masa asociata. Asta va minimiza zgomotul semnalului observant, ce apare din cauza inductiei parazite introdu-se de cai redundant nedorite ale impamantarii.

Figura 1-51. Raspunsul treapta a unei linii de transmisie supusa unor impedante de linie diferite (pur resistive)

3. In sectiunea LOAD a placii de circuit, asigura-te ca toate switch-urile sunt trase in pozitia O(Off). Apoi, conecteaza intrarea sectiunii LOAD print rezistorul R1(500-) setand switch-urile adecvate din aceasta sectiune in pozitia I(on). Roteste butonul rezistorului R1 in sensul acelor de ceasornic complet Acest lucru seteaza impedanta sarcinii la capatul receptor al LINIEI DE TRANSMISIE A in jurul a 500. 4. Fa urmatoarele schimbari pe osciloscop: Canalul 1 Mod..Normal Sensibilitate.0.2 V/div Input CouplingDC Timp..0.2 s/div Trigger Sursa .Externa Nivel0.3 V Impedanta de intrare1M sau >

5. Pe ecranul osciloscopului, observa raspunsul semnalului treapta la capatul de transmisie a liniei. Avand in vedere ca impedanta sarcinii conectatein zona LINIEI DE TRANSMISIE A(cam 500 ) este mai mare decat impedanta caracteristica a liniei(50), tensiunea reflectata se aduna la tensiunea incidenta, dupa cum arata figura 1-52. Este asta si observatia ta? Da Nu

Figura 1-52. Raspunsul de tip treapta cu R1 setat la aproximativ 500 6. Roteste incetisor butonul rezistorului R1 complet in sensul acelor de ceasornic, ceea ce va cauza ca impedanta sarcinii conectatein zona LINIEI DE TRANSMISIE A sa scada de la aproximativ 500 la 0 .

In timp ce faci asta, observa ce se intampla cu raspunsul semnalului treapta pe ecranul osciloscopului. In timp ce impedanta de sarcina este scazuta, a) Tensiunea reflectata , care initial se scade din tensiunea incidenta , creste, devine egala cu tensiunea incidenta, si apoi se aduna la aceasta. b) Tensiunea incidenta care este initial mai mica decat tensiunea reflectata, creste, devine egala cu tensiunea reflectata, si apoi se aduna la aceasta. c) Tensiunea reflectata , care initial se aduna la tensiunea incidenta , scade, devine egala cu tensiunea incidenta, si apoi se scade din aceasta. d) Tensiunea incidenta care este initial mai mare decat tensiunea reflectata, scade, devine egala cu tensiunea reflectata, si apoi se scade din aceasta. Determinarea impedantei caracteristice folosind o sarcina pur rezistiva 7. Ajusteaza butonul rezistorului R1 pana cand nu mai apare pe ecranul generatorului de semnal tensiune reflectata. Daca o mica discontinuitate(cocoasa) ramane din tensiunea reflectata, ajusteaza R1 pentru a reduce aceasta discontinuitatea la minim, dupa cum arata figura 1-53.

Figura 1-53. Ajusteaza rezistorul R1 pentru a reduce tensiunea reflectata la minim 8. Folosind un multimetru , masoara rezistenta dintre iesirea sectiunii LOAD si o impamantare. Din moment ce R1 a fost setat pentru a reduce tensiunea reflectata la minim , rezistenta curenta ar trebui sa corespunda aproximativ cu impedanta caracteristica, Z0 : Deconecteaza capatul cablului coaxial conectat la conectorul BNC de la intrarea sectiunii LOAD. Tine varful unuia dintre cablurile multimetrului pe pin-ul alturat conectorului BNC la intrarea sectiunii LOAD, in timp ce atingi cu celalalt cablu al multimetrului o impamantare. Treci valoarea obtinuta a rezistentei Z0

Z0= _____ 9. Lasa conexiunile asa cum sunt, cu conectorul BNC la intrarea sectiunii LOAD neconectat, si continua cu exercitiul. Determinarea Impedantei caracteristice bazate pe partea crescatoare a semnalului incident 10. Determinati tensiunea Thevenin , ETH , la iesirea BNC de 50 generatorului de semnal folosind pasii urmatori: -conecteaza iesirea BNC de 50 generatorului de semnal la intrarea sectiunii LOAD. Pentru a face acest lucru, deconecteaza capatul cablului coaxial conectat la cnectorul BNC de la capatul de transmisie a zonei LINIEI DE TRANSMISIE A, si conecteaza-l la intrarea din sectiunea LOAD a conectorului BNC. Seteaza toate switch-urile din aceasta sectiune in pozitia de OFF. Asta seteaza impedanta sarcinii la iesirea de 50- a generatorului de semnal in conditia circuitului deschis (). - deconecteaza un cablu al osciloscopului de la zona LINIEI DE TRANSMISIE A, si conecteaz-o la pin-ul de langa conectorul BNC aflat la iesirea sectiunii LOAD. Conecteaza conductorul de impamantare al osciloscopului la impamantarea apropiata pin-ului din zona respective. - pe ecranul osciloscopului, masoara tensiunea semnalului incident. Scrie mai jos valoarea tensiunii masurate, ETH: ETH = ______ V 11. Determina impedanta Thevenin , ZTH , la iesirea de 50- a generatorului de semnal, urmarind urmatorii pasi: in sectiunea LOAD, seteaza switch-urile in asa fel incat sa conectezi iesirea acestei sectiuni la impamantare, prin rezistorul R1 (potentiometru de 50- ). Ajusteaza butonul lui R1 pana cand tensiunea semnalului incident de pe ecranul osciloscopului sa fie egala cu jumatatea tensiunii Thevenin masurata la pasul anterior. Deconecteaza capatul cablului coaxial conectat la conectorul BNC din intrarea in sectiunea LOAD. Masoara rezistenta rezistorului R1 cu un ohmetru conectat la conectorul BNC impamantare. Treceti valoarea masurata mai jos: ZTH = _____ 12. Reconecteaza cablul coaxial care vine de la iesirea BNC de 50- a generatorului de semnal la capatul de transmisie a zonei LINIEI DE TRANSMISIE A. Reconecteaza cablul coaxial de la capatul de receptie a zonei LINIEI DE TRANSMIESIE A la conectorul BNC de la intrarea sectiunii LOAD. 13. Seteaza perioada de timp a osciloscopului la 0.2 s/div si

14. Pe ecranul osciloscopului , masoara tensiunea partii crescatoare, Vre , a semnalului incident dupa cum arata figura 1-54. In cazul in care va aparea zgomot oscilatoriu in sectiunea de sus a partii crescatoare, masoara tensiunea aproximativa a acestei margini. Scrie mai jos tensiunea masurata, Vre . Vre = ______V

Figura 1-54. Masurarea tensiunii marginii de crestere Vre a semnalului incident 15. Bazandu-va pe cresterea rapida a marginii tensiunii Vre , sip e echivalentul Yhevenin al generatorului de semnal masurata la pasul anterior, calculati impedanta caracteristica Z0, a liniei de transmisie A.

Vre *Z TH ETH Vre Z0 = ____ Rezultatele ar trebui sa fie foarte apropiate de impedanta caracteristica de 50, specifica cablului coaxial RG-174 folosit la liniile de transmisie A si B. Avand in vedere ca rezultatele voastre depind de acuratetea masuratorilor facute cu osciloscopul si de rotunjirea folosita in calcule, aceasta valoare ar putea sa difere putin fata de valoarea producatorului de 50. Z0 =16. Opriti unitatea si deconectati toate cablurile de pe placuta.

CONCLUZII Metoda raspunsului de tip treapta poate fi folosita pentru a determina natura impedantei de sarcina de la capatul unei linii. Forma raspunsului de tip treapta indica fie daca impedanta de sarcina este pur rezistiva sau complexa. o Cand impedanta de sarcina este pur rezistiva, tensiunea reflectata are aceeasi forma cu tensiunea incidenta. Se aduna sau se scade din tensiunea incidenta, tinand cont de relatia dintre impedanta de sarcina si impedanta caracteristica de linie. o Cand impedanta de sarcina este si rezistiva si inductive, tensiunea reflectata scade exponential pana se stabilizeaza la un anumit nivel, astfel avand aceeasi forma ca tensiunea de-a lungul unui condensator ce se descarca printr-un resistor serie. o Cand impedanta de sarcina este si rezistiva si capacitiva, tensiunea reflectata cresteexponential pana se stabilizeaza la un anumit nivel, astfel avand aceeasi forma ca tensiunea de-a lungul unui condensator ce se incarca printr-un resistor serie.

Impedanta caracteristica a unei linii poate fi determinate conectand o rezistenta cu sarcina variabila la capatul receptor al liniei de transmisiesi ajustand rezistenta pana cand nu mai apare nicio tensiune reflectata in generatorul de semnal. Cand capatul receptor al unei linii nu este accesibil, impedanta caracateristica poate fi determinata masurand tensiunea partii crescatoare a tensiunii incidentein generatorul de semnal. Aceasta tensiune si echivalentul Thevenin al generatorului de semnal sunt apoi folosite pentru a calcula impedanta caracteristica.

ATENUAREA SI DISTORSIUNEAObiectivele exercitiului La completarea acestui capitol, vei sti ce este atenuarea si distorsiunea, si cum pot ele afecta forma semnalului transmis. Vei fi capabil sa explicit ce cauzeaza atenuarea si distorsiunea. Vei cunoaste metodele de evaluare a calitatii semnalului in sistemele de transmisie de mare viteza. Discutie Atenuarea In liniile de transmitere cu pierderi, semnalele transmise pierd o anumita cantitate de energie pe masura ce calatoresc de-a lungul liniei. Acest lucru se intampla deoarece energia se disipa gradual in fiecare rezistenta serie, RS, si in fiecare rezistenta paralel , RP, pe unitatea de lungime a liniei. Energia pierduta in fiecare RS se produce prin incalzirea conductorilor (pierderi l2R ). Energia pierduta in fiecare RP se produce prin incalzirea materialului dielectric folosit in fabricatia conductorilor( pierderi dielectrice), dupa cum arata figura 1-55.

Fig. 1-55 Semnalele pierd anumita energie in fiecare Rs si Rp Pierderile de energie cauzeaza o scadere gradual a nivelului semanalului transmis, in timp ce acesta calatoreste de-a lungul liniei, dupa cum arata figura 1-56. Scaderea nivelului semnalului de-a lungul distantei se numeste atenuare. Atenuarea creste dupa cum distanta de la punctual de transmisie creste. Atenuarea este exprimata de obicei in decibel(dB). Formula pentru a calcula atenuarea puterii semnalului la o distanta D de capatul de transmisie al liniei este: P A = 10 log D PS A = Atenuarea puterii semnalului (dB); log = Logaritm in baza 10; PD = puterea semnalului la o distanta D de capatul de transmisie al liniei este(W). PS = puterea semnalului la capatul de transmisie al liniei(W). unde

Figura 1-56. Atenuarea unui semnal dreptunghiular si a unui semnal sinusoidal

Tabelul 1-3 arata atenuarea, A, pentru diferite rapoarte PD/ PS. De fiecare data cand raportul scade de doua ori , puterea semnalului este atenuata cu 3dB. Raportul PD/ PS 1 0.5 0.25 0.125 Atenuarea puterii (dB) 0 -3 -6 -9

Tabelul 1-3. Atenuarea, A, pentru diferite rapoarte PD/ PS De exemplu, atenuarea puterii semnaluli la distanta D de capatul de transmisie al liniei, daca rapoartul PD/ PS este 0.75, va fi de -1.25dB. Cand se fac masuratori ale tensiunii (foarte comune)in loc de masuratori de putere, formula pentru calculul atenuarii puterii semnalului la o distanta D de capatul de transmisie al liniei devine: V2 V A = 10 log D = 20 log D 2 VS VS unde A = Atenuarea puterii semnalului (dB); log = Logaritm in baza 10; VD = tensiunea semnalului la o distanta D de capatul de transmisie al liniei este(W). VS = tensiunea semnalului la capatul de transmisie al liniei(W). De exemplu, atenuarea puterii semnaluli la distanta D de capatul de transmisie al liniei, daca rapoartul VD/VS este 0.75, va fi de -2.5dB.

Producatorii liniilor de transmisie ofera de obicei grafice care indica atenuarea pe unitatea de lungime ca o functie de frecventa a semnalului. Acest lucru trebuie facut deoarece la frecvente mai mari, atenuarea pe unitatea de lungime, in loc sa fie constanta, creste cu estomparea frecventei, printre altele, la un fenomen numit skin effect. Acest efect este ilustrat in figura 1-57. La DC sau frecventa joasa, densitatea curentului este destul de uniforma prin conductor. La frecvente mari, densitatea curentului tinde sa se condenseze in apropierea suprafetei unui conductor, crescand astfel rezistenta curentului, si, atenuarea pe unitatea de lungime .

Figura 1-57 Skin effect Un semnal pur sinusoidal este compus dintr-o singura componenta de frecventa, numita component fundamentala. Totusi, semnalele periodice sunt formate de obicei dintr-o superpozitie a mai multor componente de frecventa. Aceste componente sunt semnale ce au toate forma sinusoidala, dar sunt de frecvente si amplitudini diferite. Ele includ o frecventa fundamentala ,sau prima armonica, la frecventa semnalului, si alte cateva armonice de ordin mai inalt, ale caror frecvente sunt multiple ale frecventei fundamentale. Figura 1-58 arata reprezentarea indomeniul timp si domeniul frecventa a unor semnale diferite. Un semnal periodic poate fi desfasurat ca o suma infinita de sinusuri si cosinusuri de amplitudini si frecvente diferite, numite serie Fourier. Cand observam componentele frecventei unui semnal pe un aparat de analiza spectral, vedem ca frecventa fundamentalei este reciproca perioadei semnalului , T. Magnitudinea armonicelor descreste dupa cum numarul armonicelor creste. Spectrul de frecventa difera de la un tip al semnalului la altul, dupa cum arata figura 1-58. De exemplu, un semnal dreptunghiular este format dintr-un set de armonice impare, in timp ce un semnal in forma de dinti de fierastrau este format si din o armonica para si din una impara.

Figura1-58. Reprezentarea in domeniul timp si domeniul frecventa a unor semnale diferite Distorsiunea Intr-o linie de transmisie, viteza de propagare a fundamentalei si a armonicelor ce compun semnalul transmis, este determinate in mod principal de permitivitatea relative a materialului dielectric al liniei. In liniile fara pierderi sau cu pierderi foarte mici, permitivitatea relative ramane aproximativ constanta cu frecventa. Prin urmare, fundamental si armonicele semnalului transmis , se propaga dea lungul liniei cu aceeasi viteza. Astfel, semnalul de la capatul receptor al liniei este o replica a semnalului transmis, dupa cum arata partea stanga a figurii 1-59. Se spune ca acest semnal este fara distorsiuni. In liniile cu pierderi, insa, permitivitatea relative variaza cu frecventa, Prin urmare, fundamental si si armonicele semnalului transmis se propaga la viteze diferite. Acest fenomen este cunoscut drept fenomenul de distorsiune. Dispersia cauzeaza distorsiune: semnalul de la capatul receptor al liniei are o forma destul de diferita fata de semnalul transmis , dupa cum arata partea dreapta a figurii 1-59. Daca , in aditie, fundamental si armonicele sunt de frecvente relative ridicate, ele vor fi attenuate diferit deoarece, dupa cum am mentionat mai devreme, atenuarea pe unitatea de lungime depinde de frecventa unor frecvente mai ridicate.Asta va tinde sa agraveze distorsiunea in semnalul primit.

Figura 1-59. Un semnal nedistorsionat si un semnal distorsionat Astfel, schimbarea formei semnalului transmis in figura se realizeaza din cauza ca timpul de crestere si timpul de scadere a partii trecatoare din semnalul transmis tin mai mult in semnalul primit. Atenuarea si distorsiunea pot fi probleme importante in sistemele de transmisie de mare viteza din ziua de azi, datorita semnalelor de inalta frecventa implicatein aceste sisteme. Figura 1-60 arata, spre exemplu , cum distorsiunea afecteaza transmisia datei NRZ(non-return-to-zero). O comparatieintre data transmisa (A) arata ca data recuperate (C) nu reproduce cu adevarat data originala, ceea ce poate introduce erori.

Figura 1-60. Atenuarea si distorsiunea afecteaza recuperarea datei originale NRZ O metoda populara de a evalua calitatea semnalului in sistemele de transmisie digitala este metoda eye-pattern (diagrama ochi). Aceasta metoda cere ca un semnal binar pseudo-aleator (PRBS) sa fie aplicat la intrarea vertical a osciloscopului. Baleiajul orizontal al osciloscopului este determinate de un semnal de aceeasi frecventa ca semnalul binar. Perioada de timp este modificata

astfel incat sa vedem cam o perioada din PRBS, dupa cum arata figura 1-61. In acest fel, ecranul osciloscopului arata un model ce seamana cu un ochi. Lungimea deschiderii ochiului indica gradul de distorsiune. Cu cat aceasta deschidere este mai ingusta, cu atat este mai mare distorsiunea semnalului, si astfel, cu atat mai mik probabilitatea de a recupera datele fara erori.

Figura 1-61. Eye Pattern Sumarul procedurii In acest capitol , vei masura atenuarea semnalului de iesire pe generatorul de semnal la capatul receptor a unei linii de 48 de metri. Vei raspunde apoi unor intrebari teoretice despre distorsiune . Nota: deoarece cablurile folosite pe placuta de circuit a liniilor de transmisie nu sunt indeajuns de lungi pentru a permite observarea efectului de dispersie, sectiunea procedural despre distorsiune va consta in intrebari teoretice. PROCEDURA Atenuarea 1. Asigura-te ca placuta de circuit (TRANSMISSION LINES) este instalata corespunzator in unitatea de baza. Porneste alimentarea unitatii si verifica daca LED-urile alturate fiecarui buton de control de pe aceasta unitate sunt aprinse , confirmand astfel ca placuta de circuit este alimentata corespunzator. 2. Avand in vedere figura 1-62, conecteaza iesirea de 50- ageneratorului de semnal la capatul de transmisie a zonei TRANSMISSION LINE A, folosind un cablu coaxial. Conecteaza capatul receptor al zonei LINIEI DE TRANSMISIE A la capatul de transmisie a zonei LINIEI DE TRANSMISIE B, folosind un cablu coaxial. In final, conecteaza capatul receptor al zonei LINIEI DE TRANSMISIE B la intrarea sectiunii LOAD, folosind un cablu coaxial.

Figura 1-62. Observarea atenuarii tensiunii de intrare a generatorului de semnal de-a lungul unei linii Acum conecteaza iesirea de 100- a generatorului de semnal la intrarea osciloscopului , folosind un cablu coaxial. Conecteaza canalul 1 al osciloscopului la pinul canalului de 0-m de la capatul de transmisie a zonei LINIEI DE TRANSMISIE A , folosind canalul osciloscopului. In final, filosind alt cablu al osciloscopului, conecteaza canalul 2 al acestuia la pinul de 24-metri de la capatul receptor al zonei LINIEI DE TRANSMISIE B. Nota: Cand conectam canalul unui osciloscop la unul dintre cele 5 canale ale unei linii de transmisie, intotdeauna trebuie sa conectam conductorul canalului de impamantarea la ce-a mai apropiata masa asociata. Asta va minimiza zgomotul semnalului observant, ce apare din cauza inductiei parazite introdu-se de cai redundant nedorite ale impamantarii. 3. In sectiunea LOAD a placii de circuit, asigura-te ca toate switch-urile sunt trase in pozitia O(Off). Apoi, conecteaza intrarea sectiunii LOAD la .. print rezistorul R3(50-)setand switchurile adecvate din aceasta sectiune in pozitia I(on). 4. Fa urmatoarele schimbari pe osciloscop: Canalul 1 Mod..Normal Sensibilitate.0.2 V/div Input Coupling DC Canalul 2 Mod..Normal Sensibilitate.0.2 V/div Input CouplingDC Timp..5 s/div Trigger Sursa .Extern Nivel0.3 V Impedanta de intrare..........................1M sau >

5. Pe ecranul osciloscopului, observa semnalul transmis de generatorul de semnal la capatul de transmisie a unei linii de 48 metri, formata din LINIILE DE TRANSMISIIE A si B , conectate una la capatul celeilalte.

Figura 1-63. Masurarea atenuarii la D=48 metri Observa ca tensiunea pulsurilor in generatorul de semnal este mai mica la capatul de receptie , dupa cum arata Figura 1-63. Acest lucru se produce din cauza a) Energiei pierdute in fiecare inductanta serie si capacitate in paralel pe unitatea de lungime a liniei b) Pulsului de la capatul de transmisie al liniei a pierdut o anumita cantitate de energie in timp ce a calatorit de-a lungul liniei c) Unui fenomen cunoscut ca dispersie d) Semnalul transmie a pierdut energie pe impedanta caracteristica de 50- a liniei.

6.

Masoara tensiunea (inaltimea) pulsului, la capatul de transmisie al liniei, VS .

VS =___V 7. Masoara tensiunea (inaltimea) pulsului, la capatul receptor al liniei, VD .

VD =___V 8. Folosind tensiunile masurate, VD si VS , calculeaza atenuarea in puterea pulsului la capatul receptor al unei linii de 48 metri folosind formula de mai jos: A = 10 log unde2 VD VS2

A = Atenuarea puterii semnalului (dB); log = Logaritm in baza 10; VD = tensiunea semnalului la o distanta D de capatul de transmisie al liniei este(W). VS = tensiunea semnalului la capatul de transmisie al liniei(W). A= _____dB Distorsiunea 9. Care dintre urmatoarele semnale corespund cel mai bine reprezentarii in domeniul ifrecventa aratat in figura 1-46? a) b) c) d) Un semnal pur sinusoidal avand o perioada de 5s Un semnal dreptunghiular avand o perioada de 5s Un semnal dinti de fierastrau avand o perioada de 5s Un semnal dreptunghiular avand o perioada de 0.5s

Figura 1-64. Reprezentarea semnalului in domeniul frecventa 10. Daca te uiti la figura 1-65 , care dintre urmatoarele afirmatii poate explica de ce un semnal primit are o forma destul de diferita de cea a unui semnal transmis? a) Armonicele de ordin mai inalt in semnalul transmis au fost mai putin attenuate decat acelea de ordin mai jos in timp ce au calatorit de-a lungul unei linii cu pierderi. b) Fundamentala si armonicele semnalului transmis s-au propagate la aceeasi viteza de-a lungul liniilor cu pierderi. c) Armonicele de ordin mai inalt in semnalul transmis au fost mai attenuate decat acelea de ordin mai jos in timp ce au calatorit de-a lungul unei linii cu pierderi.

d) Fundamentala si armonicele semnalului transmis s-au propagate cu viteza diferita de-a lungul liniilor cu pierderi. 11. Daca te uiti la figura 1-66, care dintre grafice corespund celei mai bune probabilitati de a recupera data NRZ fara erori? a) b) c) d) Eye pattern A Eye pattern B Eye pattern C Eye pattern D

12.

Figura 1-66. Eye patterns Opreste alimentarea unitatii de baza si deconecteaza cablurile de pe placuta.

CONCLUZII Atenuarea este o descrestere a nivelului in semnalul transmis ce calatoreste de-a lungul liniei. Atenuarea se produce in liniile cu pierderi. Este cauzate de disiparea unei parti din energia semnalului in rezistentele serie si parallel distribuite a liniei. Distorsiunea este o schimbare in forma semnalului transmis care se intalneste tot in liniile cu pierderi. Distorsiunea este cauzata in special de dispersie, un fenomen prin care fundamentala si armonicele ce compun un semnal transmis se propaga cu viteze diferite. Distorsiunea poate fi deasemenea cauzata de atenuarea diferita a componentelor semnalului de inalta frecventa, din moment ce atenuarea depinde de frecventa. Distorsiunea componentelor de inalta frecventa din semnalele transmise cresc timpul de crestere si de scadere a semnalelor trecatoare, cauzand ca semnalele sa fie rotunjite. Intr-un sistem de transmisie de mare viteza, o metoda popular pentru a evalua calitatea semnalului este metoda eye-pattern. Aceasta metoda ofera un model care seamana cu un ochi. Latimea deschiderii ochiului indica gradul de distorsiune.

Caracteristicile liniilor de transmisieObiective Dupa incheierea acestui capitol vei fi familiarizat cu bazele liniilor de transmisie.Vei fi capabil sa descrii diferitele tipuri de linii de transmisie si cum sunt ele folosite.Vei stii cum sa determini circuitul echivalent al unei linii de transmisie.Vei fi familiarizat cu, conceptul de impedanta caracteristica si impedanta echivalenta. Idei fundamentale Informatii de baza despre linii de transmisie O linie de transmisie este un dispozitiv conducator folosit pentru a transfera energie sub forma de unde electromagnetice de la o sursa(generator) la o sarcina.In televiziune si radio liniile de transmisie sunt folosite pentru a conecta transmitatorii la antene, sau antenele la receptori, asa cum arata si figura 1-1

Figura 1-1 Sistem radio elementar Liniile de transmisie sunt deasemenea folosite in telefonie si sisteme de transmisii de date pentru a purta semnale pe distante lungi, asa cum se arata in figura 1-2. Liniile de transmisie sunt folosite in sisteme cu microunde pentru a purta energie electromagnetica. Ele sunt deasemenea folosite in retele optice de cablu de televiziune,dupa cum arata figura 1-3. Sistemele de fibra optica sunt folosite pentru a purta semnale luminoase, pe cand liniile de transmisie coaxiala sunt folosite ca si cabluri de alimentere.

Figura 1-2 Sistem telefonic elementar

Conditii tranzitorii si de stabilitate la o linie de transmisie Liniile de transmisie pot purta diferite tipuri de semnale. De exemplu sunt deseori folosite pentru transmiterea pulsurilor(la frecvente joase) si a semnalelor de comunicatie (la frecvente inalte). In unele aplicatii, cum ar fi telefonia sau retele de calculatoare, semnalele digitale parcurg linia.Aceste linii sunt facute pentru a opera in conditii tranzitorii deoarece dureaza ceva timp pentru fiecare puls de pe linie sa ajunga la o valoare stabila. In alte aplicatii, semnalele sinusoidale se repeta periodic pe linie.Aceste linii sunt facute pentru a opera in conditii stabile deoarece semnalele expun doar schimbarile neglijabile dupa o perioada lunga de timp.

Figura 1-3 Sistem hibrid de televiziune prin cablu

Tipuri de linii de transmisie si aplicatie Exista diferite tipuri de linii de transmisie. Fiecare tip de linie are proprietati diferite care afecteaza transmisia: latimea benzii, atenuarea si zgomotul sau interferentele. Sunt folosite diferite parti ale spectrului de frecventa electromagnetica, depinzand de tipul de linie de transmisie si de cererile de comunicatie. Asa cum arata figura 1-4 majoritatea spectrelor electromagnetice sunt invizibile.Frecventele joase ale spectrului include undele radio,microundele si radiatiile infrarosu. Lumina devine vizibila pe o scara redusa. Frecventele inalte includ razele ultraviolete , razele X si cele gamma. Urmatoarele tipuri de linii de transmisie sunt frecvent folosite: liniile deschise cu 2 canale liniile cu perechi rasucite liniiile cu perechi infasurate linii coaxiale purtatoare de unde fibre optice

Figura 1-4 Spectrul electromagnetic Liniile deschise cu 2 canale constau in 2 conductoare paralele care sunt despartite cativa centimetri si sunt sustinute de separatoare amplasate la intervale egale, asa cum arata figura 1-5. Acest tip de linii este de obicei folosit pentru conexiuni pe distante scurte pentru linii de tensiuni inalte si in linii de telefonie rurala. Este susceptibila la zgomot, ieftina si simpla.

Figura 1-5 Linie deschisa cu doua fire

Linia cu 2 canale este si linia bifilara cand conductoarele paralele sunt inzolate de un material dielectric asa cum arata figura 1-6. Acest tip de linie este deseori folosit pentru a conecta televizorul la antenna.

Figura 1-6 Linie bifilara Linia cu perechi torsadate consta in 2 conductoare invelite intr-un material izolator si rasucite impreuna pentru a face linia flexibila, asa cum arata figura 1-7.Acest tip de linie este folosit pentru conexiuni pe distante scurte. Nu este recomandat pentru transmisia semnalelor de frecvente inalte din cauza pierderilor importante care apar in materialul izolator.

Figura 1-7 Linie torsadata Liniile cu perechi izolate constau in 2 conductoare paralele inconjurate si separate printr-un material puternic dielectric, asa cum arata figura 1-8. Materialul dielectric este inconjurat de sarma de cupru bobinata care actioneaza ca un camp electric. Intregul ansamblu este asezat intr-un material flexibil protector. Avantajul principal al acestui tip de linie este faptul ca conductoarele sunt izolate de sursele externe de zgomot.

Figura 1-8 Linie cu perechi izolate Linia coaxiala este folosita pentru cablurile de televiziune. Este fabricata in 2 tipuri: rigida sau flexibila. Ambele tipuri sunt construite in acelasi fel: un conductor intern este inconjurat de un conductor extern tubular. Acest tip de conductor minimizeaza pierderile de radiatii, cat si interferentele de la alte linii.

In cazul liniei coaxiale flexibile, aratata in figura 1-9, conductorul intern este izolat de cel extern printr-un material puternic dielectric. Conductorul extern consta intr-un strat impletit de cupru, dand cablului flexibilitate. Acest tip de linie minimizeaza impactul radiatiilor electromagnetice si efectul pelicular.

Figura 1-9 Linie coaxiala (flexibila) In cazul liniei coaxiale rigide conductorul intern este izolat de cel extern prin separator la intervale regulate. Acest tip de linie minimizeaza pierderile si interferentele de la alte linii.

Ghidul de unde este un mediu de transmisie care ghideaza propagarea undelor electromagnetice. In mod normal consta intr-un conductor metalic gol, de obicei cilindric, rectangular sau eliptic, asa cum arata figura 1-10. Acest tip de purtator de unde poate contine, in anumite conditii, un material dielectric solid sau gazos. Purtatorii de unde sunt folositi in sistemele cu microunde radio.

Figura 1-10 Giduri de unda In final, fibra optica este creata special pentru a transmite lumina,care poate fi modelata ca o unda electromagnetica. Fibra optica consta intr-un conductor central numit miez, facut din sticla sau plastic, asa cum arata figura 1-11. Miezul este incercuit de un invelis protector.Intregul ansamblu este asezat intr-o fasa protectoare. Avantajele fibrei optice sunt latimile de banda mari, imunitatea la zgomot si dimensiunile mici.

Figura 1-11 Fibra optica

Impedanta In circuitele de curent alternativ rezistenta unui component la fluxul de curent se numeste impedanta. Impedanta se noteaza Z. Se masoara in ohmi. Este cuantificata de un nr complex ce poate fi exprimat intr-o forma carteziana sau polara, cum se arata in figura 1-12.

in forma polara, cu o rezistenta R,exprimata in ohmi,si la un anume unghi ,in grade sau radiani: R < in forma dreptunghiulara, cu o componenta adevarata sau pur rezistiva R si o componenta reactiva (jX), amandoua exprimate in ohmi: R+- jX.

Figura 1-12 Forma polara si carteziana Atat timp cat consta intr-un numar complex, impedanta poate fi reprezentata pe o diagrama carteziana ca un vector trasat din origine ca in figura 1-13. Axa orizontala a diagramei se numeste axa reala si corespunde axei rezistentei R. Axa verticala este numita imaginara si corespunde axei reactantei jX.

Figura 1-13 Reprezentarea carteziana

Cand impedanta este: pur rezistiva, atunci Z=R+j0, sau R 0.5V/diviziune (Sensivity > 0.5V/div) Cuplajul de intrare > curent continuu (Input Coupling > DC) Unitatea de timp > 5s/diviziune (Time base > 5s/div) Intrerupator (Trigger) Sursa > externa (Source > External) Nivel > 0.3V (Level > 0.3V) Impedanta de intrare > 1M sau mai mult (Input impedance > 1M or more) 5. Priviti semnalul de iesire al generatorului de semnal treapta pe ecranul osciloscopului. Este acest semnal un raspuns dreptunghiular cu frecventa de 20s corespunzator figurii 1-31? Da Nu

Fig. 1-31 Semnalul de iesire al generatorului de semnal treapta 6. In sectiunea de sarcina rotiti incet potentiometrul rezistentei R1 in sens trigonometric la maxim pentru a cauza scaderea impedantei de iesire a generatorului de semnal treapta de la 500 la 0. In timpul acestei operatii observati ce se intampla cu raspunsul semnalului de iesire al generatorului de semnal treapta de pe ecranul osciloscopului. 7. In sectiunea de sarcina comutati toate intrerupatoarele pe pozitia 0, masurati tensiunea raspunsurilor semnalelor de pe ecranul osciloscopului, aceasta este tensiunea Thevenine de iesire BNC 50 a generatorului de semnal treapta, ETH. ETH = _______ V 8. Conectati intrarea sectiunii de sarcina la comun prin rezistenta R1, regland intrerupatoarele corespunzatoare din aceasta sectiune pe pozitia 1. Ajustati potentiometrul rezistentei R1 pana cand tensiunea raspunsurilor semnalului de pe ecranul osciloscopului devine egala cu jumatate din tensiunea Thevenin masurata la pasul anterior. ETH/2 = _______ V 9. Folosind un ohmmetru, masurati rezistenta dintre intrarea sectiunii de sarcina si comun (setarea curenta a rezistentei R1). Din moment ce rezistenta R1 a fost reglata sa creeze o cadere de tensiune de ETh/2 a iesirii BNC 50 a generatorului de semnal treapta, setarile rezistentei R1 corespund impedantei Thevenin in acest punct ZTH. - Deconectati capatul cablului coaxial conectat la intrarea sectiunii de sarcina prin mufa BNC. (Lasati celalalt capat conectat la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal treapta.) - Deconectati capatul de masura al osciloscopului de la turetul de intrare al sectiunii de sarcina. - Tine varful unui capat de masurare al ohmmetrului pe turetul intrarii sectiunii de sarcina iar in acelasi timp atingeti cealalta tureta din apropierea comunului (L) cu celalalt cap de masurare al ohmmetrului. - Noteaza mai jos rezistenta masurata, ZTH. ZTH = _______ 10. Reconectati cablul coaxial care vine de la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal treapta la intrarea BNC a sectiunii de sarcina. 11. Conectati intrarea sectiunii de sarcina la comun prin rezistenta R4 (rezistenta de 100) comunand intrerupatorul corespunzator din aceasta sectiune pe pozitia 1. Reconectati canalul 1 al osciloscopului la tureta de la intrarea sectiunii de sarcina.

12. Masurati tensiunea raspunsurilor de pe ecranul osciloscopului. Aceasta este tensiunea VL dintre capatul 100 conectat la generator si iesirea generatorului de semnal treapta VL = _______ V 13. Utilizand tensiunea Thevenin, ETH si impedanta Thevenin, ZTH masurate la pasii 7 si 9 ai exercitiului, folositi regulile divizorului de tensiune pentru a calcula tensiunea teoretica pe sarcina ZL=100 conectata la iesirea generatorului de semnal treapta: Z V = E Z + Z Este rezultatul calculat aproximativ egal cu tensiunea VL masurata la pasul anterior? Da Nu 14. Deconectati circuitul scotand toate cablurile si capetele de masurare ale aparatelor. Determinarea Echivalentului Thevelin la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal Acum, determinati echivalentul Thevelin la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal: - Regerindu-va la fig. 1-32, conectati iesirea BNC 50 a generatorului de semnal la conectorului BNC de intrare al sectiunii de sarcina, utilizand un cablu coaxial scurt. - Apoi, conectati iesirea BNC 100 a generatorului de semnal la trigger-ul de intrare al osciloscopului, utilizand un cablu coaxial. - In final, folosind capatul de masurare, conectati canalul 1 al osciloscopului la tureta imediat urmatoare conectorului BNC al intrarii sectiunii de sarcina. Asigurati-va ca ati conectat cablul de masa al capatului de masura la tureta asociata comunului. 15.

Fig. 1-32 Iesirea generatorului de semnal 50 conectata la canalul 1 al osciloscopului si la intrarea sectiunii de sarcina 16. In sectiunea de sarcina setati toate intrerupatoarele pe pozitia 0. Aceasta face ca impedanta de iesirea a sarcinii pentru generatorul de semnal sa fie in circuit deschis cu conditia ().

17.

Efectuati urmatoarele setari pt osciloscop: Canalul 1 (Channel1) Mod > normal (Mode > Normal) Sensibilitate > 1V/diviziune (Sensivity > 1V/div) Cuplajul de intrare > alternativ (Input Coupling > AC) Unitatea de timp > 0.1s/diviziune (Time base > 0.1s/div) Intrerupator (Trigger) Sursa > externa (Source > External) Nivel > 0.3V (Level > 0.3V) Impedanta de intrare > 1M sau mai mult (Input impedance > 1M or more)

18. Ajustati frecventa de iesire a semnalului generatorului de semnal la 3MHz. Pentru a face asta rotiti potentiometrul de frecventa a acestui generator pana cand perioada T a semnalului sinusoidal afisat pe osciloscop este de 0.33s aproximativ, dupa cum reiese si din fig. 1-33. Pentru a ne asigura ca potentiometrul frecventei este reglat corect putem verifica daca tensiunea la iesirea de referinta a generatorului de semnal este de 3V (folosind un voltmetru in curent continuu).

Fig. 1-33 Frecventa semnalului de iesire din generatorul de semnal setata la aproximativ 3 MHz Masurati amplitudinea varfului pozitiv al tensiunii sinusoidale pe ecranul osciloscopului. Aceasta este tensiunea Tevenin pe iesirea BNC 50 a generatorului de semnal ETH. ETH = _______ VPK 19. Conectati intrarea sectiunii de sarcina la circuitul comun prin rezistenta R1 prin ajustarea intrerupatoarelor corespunzatoare pe pozitia 1 (deschis). Rotiti potentiometrul rezistentei R1 pana cand varful amplitudinii tensiunii sinusoidale de pe ecranul osciloscopului este egala cu jumatate din tensiunea Thevenin masurata la pasul anterior. ETH/2 = _______ VPK 20. Folosint un ohmmetru masurati rezistenta dintre intrarea sectiunii de sarcina si circuitul comun din moment ce rezistenta R1 a fost reglata sa creeze o cadere de tensiune egala cu ETH/2 la iesirea BNC 50 a generatorului de semnal, setarile rezistentei R1 corespund impedantei Thevenin (ZTH) pt aceasta iesire:

- Deconectati cablul coaxial conectat la conectorul BNC de la intrarea sectiunii de sarcina - Deconectati capatul de masura al osciloscopului de la tureta de proba de pe intrarea sectiunii de sarcina - Tineti varful unuia dintre capetele de masura ale ohmmetrului pe una dintre turetele de pe intrarea sectiunii de sarcina in timp ce atingeti cu celalt cap de masura tureta L a circuitului comun din apropiere. - Inregistrati mai jos rezistenta ZTH masurata. ZTH = _______ 21. Opriti circuitul de baza si deconectati toate cablurile si toate capetele de masura ale aparatelor.

Concluzii Circuitul cu linii de transmisie are 5 sectiuni: liniile de transmisie, sursa auxiliara de intrare, generator de semnal treapta, generator de semnal si sarcinile. Echivalentul Thevenin al generatoarelor de semnal treapta sau de semnal poate fi calculat la oricare dintre iesirile BNC. Pentru a face asta tensiunea de iesire a generatorului se masoara fara sarcina conectata la iesirea generatorului. Tensiunea astfel masurata corespunde cu tensiunea Thevenin, ETH. Apoi, o sarcina variabila este conectata la iesirea generatorului si este reglata pana cand tensiunea in circuit este egala cu jumatate din ETH. In aceasta conditie sarcina impedantei care corespunde impedantei Thevenin ZTH poate fi masurata cu un ohmmetru. ZTH nu corespunde in mod obligatoriu valorii nominale a rezistentei iesirii BNC unde este masurata. Odata ce echivalentul Thevenin la iesirea generatorului este cunoscut si o sarcina este conectata la aceasta iesire, tensiunea aplicata acestei sarcini este determinata cu ajutorul regulii divizorului de tensiune.

Exercitiul 1-2VITEZA DE PROPAGARE

Scopul lucrarii In urma efectuarii acestui exercitiu veti sti cum sa masurati viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie folosind metoda raspunsului la treapta. Bazat pe masuratori veti sti cum sa determinati permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea acestei linii. Viteza de propagare Un semnal radio calatoreste in spatiul liber la viteza luminii. Intr-o linie de transmisie un semnal va calatori la o viteza relativ mai mica. Acest lucru se datoreaza in mare parte prezentei unui material dielectric folosit la fabricarea liniei. De fapt viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie vp depinde de inductanta distribuita si capacitatea liniei, Lsi C (vezi figura 1-34) Ecuatia de calcul pentru vp este: 1 v = LC unde: vp = viteza de propagare L = inductanta distribuita C = capacitatea distribuita

Fig. 1-34 Circuitul echivalent al unei linii de transmisie cu 2 conductori Metoda raspunsului la treapta Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie poate fi masurata folosind metoda raspunsului la treapta. Aceasta metoda necesita ca un generator de treapta si un capat de masura al unui osciloscop cu impedanta ridicata sa fie conectate la capatul de emitere al liniei, printr-o punte de conexiune ca in fig. 1.35. Capatul de receptie al acestei linii este lasat liber.

Fig. 1-35 Masurarea vitezei de propagare a semnalului utilizand metoda raspunsului la treapta Propagarea semnalului prin linie este descrisa in cele ce urmeaza: La timpul t = 0 generatorul de semnal treapta lanseaza o tensiune pozitiva crescatoare VI in linie. Latura crescatoare a VI se numeste semnal treapta. Aceast semnal este incident deoarece vine dintr-un generator si va calatori pe linie catre o posibila sarcina posibil reflectanta. Rata incidenta VI se propaga la o anumita viteza vp de-a lungul liniei. Ajunge la capatul receptor al liniei dupa un anumit timp te tranzit T. Acolo nivelul sau a scazut cu o anumita valoare datorita rezistentei liniei. Deoarece impedanta sarcinii la capatul receptor al liniei este in conditie de circuit deschis, aceasta nu se potriveste impedantei caracteristice a liniei. Aceasta eroare de impedanta cauzeaza ca semnalul incident sa fie reflectat inapoi catre generator. Semnalul reflectat VR ajunge inapoi la generatorul de semnal treapta dupa un timp egal cu dublul timpului de tranzit, 2T. Semnalul la capatul de transmisie al liniei ca o functie de timp este semnalul de raspuns in treapta. Asa cum fig. 1.36 arata, acest semnal este suma algebrica a semnalului incident VI si al semnalului reflectat VR.

Fig. 1.36 Tensiunea la capatul emitator al liniei cu circuit deschis (semnal raspuns la treapta) Masurand timpul 2T pe ecranul osciloscopului, viteza de propagare a semnalului intr-o linie de transmisie vp poate fi determinat folosind formula: 2I v = 2T Liniile de transmisie care au pierderi si ale caror pierderi serioase sunt predominante vor aparea ca o retea simpla rezistenta-condensator (RC) pentru o perioada scurta de timp, urmand imediat lansarii tensiunii treapta, dupa cum arata fig. 1-37. Acest lucru se datoreaza componentelor de frecventa inalta ale tensiunii treapta.

Fig. 1-37 Linie cu pierderi, predominant pierderi in serie Constanta de timp T a retelei RC este determinata de constantele RS si C, care sunt la randul lor derivate din seriile rezistentei distribuite RS, seriile inductantei R si capacitatea paralela C a liniei. Drept urmare, constanta de timp a retelei RC este independenta de lungimea liniei. In acest caz semnalul incident si reflectat observat la capatul de transmisie al liniei va creste mai intai la un anumit nivel si apoi va creste exponential la o rata determinata de constanta de timp a retelei RC ca in fig. 1-38. Acest lucru nu impiedica masuratorile timpului 2T pe ecranul osciloscopului pentru calculul vitezei de propagare, insa e clar ca liniile cu pierderi cauzeaza o abatere in cresterea timpului tensiunii in treapta.

Fig. 1-38 Semnalul incident si reflectat la capatul emitator al unei linii cu pierderi, predominant pierderi in serie

Factorul viteza Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie este exprimata in mod normal ca un procent al vitezei luminii in spatiul liber. Acest procent este numit factor de viteza sau vF. De exemplu, o linie de transmisie cu vF de 66% va transmite semnale la aproximativ 66% din viteza luminii. v v = c 100

In cazul cablurilor coaxiale, factorul de viteza variaza intre 66% si aproximativ 85%. Tipul cablului coaxial Factorul de viteza, vF (%) RG-8 66 RG-58 66 RG-174 66 RG-400 70 RG-11 75 RG-316 79 NMR-195 83 RG-8X 84 LMR-400 85 Liniile de transmisie A si B ale circuitului sunt din cablul coaxial RG-174. Drept urmare au un facor de viteza teoretic de 66%. Permitivitate relativa (constanta dielectrica) Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie este determinata in principal de permitivitatea materialului dielectric folosit la constructia liniei. Permitivitatea este o marime a proprietatii materialului dielectric de a mentine o diferenta in sarcina electrica pe o suprafata data. Permitivitatea unui anumit material dielectric este exprimata in mod normal facandu-se referire la cea a vidului. Acest procent se numeste permitivitate relativa sau constanta dielectrica. Cand viteza de propagare intr-o linie de transmisie este stiuta, permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea acelei linii e un r poate fi determinata cu ajutorul ecuatiei: c = v Formula de calcul a permitivitatii relative arata ca o viteza mai mare de propagare indica o permitivitate relativa mai mica, din moment ce viteza luminii este o constanta. Material Permitivitate relativa Factor de viteza (%) vid 1.00000 100 aer 1.0006 99.97 teflon 2.10 69 2.27 66.4 polietilena polistiren 2.5 63.2 PVC 3.30 55 nilon 4.90 45.2 Sumar In aceasta sectiune de procedura veti masura viteza de propagare a tensiunii in treapta intrun circuit cu linii de transmisie. Bazandu-va pe viteza masurata veti determina permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea acestor linii. Mod de lucru Masurarea vitezei de propagare 1. Asigurati-va ca circuitul cu linii de transmisie este instalat corect in unitatea de baza, alimentati unitatea de baza si verificati ca ledul aflat langa fiecare buton de control este aprins, confirmand ca circuitul este alimentat corect. 2. Facand referire la fig. 1-39, conectati iesirea BNC 50 a generatorului de semnal treapta la conectorul BNC la capatul de emitere al liniei de transmisie A. Lasati conectorul BNC de la capatul de receptie al liniei de transmisie A neconectat. Apoi conectati iesirea BNC 100 a generatorului de semnal treapta la intrarea declansatorului osciloscopului printr-un cablu coaxial.

La sfarsit, folosind capatul de masura al unui osciloscop, conectati canalul 1 al osciloscopului la tureta de proba 0m de la capatul de emisie al liniei de transmisie A. Asigurati-va ca ati conectat impamantarea capatului de masura la scutul turetei din pozitia 0.

Fig. 1-39 Masurarea vitezei de propagare a semnalelor de tensiune din linia de transmisie A 3. Efectuati urmatoarele setari ale osciloscopului: Canalul 1 (Channel1) Mod > normal (Mode > Normal) Sensibilitate > 0.2V/diviziune (Sensivity > 0.2V/div) Cuplajul de intrare > curent continuu (Input Coupling > DC) Unitatea de timp > 0.2s/diviziune (Time base > 0.2s/div) Intrerupator (Trigger) Sursa > externa (Source > External) Nivel > 0.3V (Level > 0.3V) Impedanta de intrare > 1M sau mai mult (Input impedance > 1M or more) 4. Pe ecranul osciloscopului observati semnalul de raspuns al semnalului la capatul de emisie al liniei de transmisie A. Acest semnal corespunde semnalului de raspuns al liniei de transmisie A. Apare semnalul reflectat suprapus celui incident, in intervalul de timp care separa cele doua semnale cum arata in fig. 1-40? Da Nu

Fig. 1.40 Semnalul incident si reflectat pe transmitatorul liniei A 5. Observati ca semnalele incidente si reflectate mai intai urca pana la un anumit nivel si apoi cresc exponential cand sarcina electrica incarca condensatorul printr-o serie de rezistente. Aceasta indica faptul ca linia de transmisie are serii de pierderi predominante? Da Nu 6. Cand semnalul incident ajunge la capatul de receptie al liniei te transmisie A, este reflectat inapoi catre capatul emitent pentru ca: a) linia de transmisie A nu se termina cu o impedanta de sarcina egala cu impedanta Thevenin a generatorului de semnal treapta b) linia de transmisie A nu se termina cu o impedanta de sarcina egala cu impedanta sa caracteristica c) capatul de receptie al liniei de transmisie A este un circuit deschis, cauzand ca impedanta caracteristica a liniei sa fie infinita d) impedanta Thevenin a generatorului de semnal treapta nu este egala cu impedanta caracteristica a liniei de transmisie A 7. Micsorati diviziunea de timp pe osciloscop la 0.05s/Diviziune. Pe osciloscop masurati timpul dus-intors 2T, separand latura ascendenta a semnalului incident de latura ascendenta a semnalului reflectat asa cum arata figura 1-41. Acesta este timpul necesar pentru semnalul lansat de generatorul de semnal treapta sa parcurga distanta pana la capatul de receptie al liniei de transmisie A si inapoi la generatorul de semnal treapta. 2T = _____ 10-9s

Fig. 1-41 Timpul masurat 2T

8. Bazat pe timpul dus-intors 2T masurat la pasul anterior si pentru o lungime de 24 de metri a liniei, calculati viteza de propagare vP prin linie. 2I v = 2L vF = _____ 108 m/s 9. Exprimati viteza de propagare vP obtinuta la pasul anterior ca procent din viteza luminii sau factorul de viteza vF, folosind formula urmatoare. Rezultatele ar trebui sa fie aproape de valoare teoretica de 66% pt un cablu coaxial RG-174 (tipul de cablu folosit pentru liniile de transmisie A si B ale circuitului de pe placa). v v = 100% c 8 unde c = viteza luminii in vid (3.0 10 m/s) vF = _______ % Determinarea permitivitatii relative

Fig. 1-42 Marim lungimea liniei de la 24m la 48m 10. Bazandu-va pe viteza de propagare obtinuta la pasul 8 determinati permitivitatea relativa r a materialului dielectric folosit la fabricarea cablului coaxial RG-174 folosit pentru liniile de transmisie A si B. Rezultatul ar trebui sa fie foarte aproape de valoarea teoretica de 2.25 pentru polietilena (materialul dielectric al cablului coaxial RG-174 folosit pentru liniile de transmisie A si B). = r = _______

Efectul avut de o schimbare in lungimea liniilor asupra timpului dus-intors 2T 11. Dupa cum arata si fig. 1-42, creste lungimea liniei de la 24m la 48m printr-o conexiune capla-cap a liniilor de transmisie A si B. Pentru a obtine acest lucru legati conectorul BNC de la capatul de receptie al liniei de transmisie A la capatul de emisie al liniei de transmisie B folosind un scurt cablu coaxial. Lasati conectorul BNC de la capatul de receptie al liniei de transmisie B neconectat. 12. Schimbati diviziunea de timp a osciloscopului la 0.2s/diviziune. Observati ca timpul dusintors 2T separand latura ascendenta a semnalului incident de latura ascendenta a semnalului reflectat s-a dublat ca in fig. 1-43.

Fig. 1-43 Timpul dus-intors 2T, separand laturile ascendente ale semnalelor incident si reflectat, s-a dublat Timpul 2T s-a dublat pentru ca: a) viteza de propagare a scazut cu 1 factor sau 2 b) lungimea liniei s-a dublat c) permitivitatea relativa s-a dublat d) impedanta caracteristica a liniei s-a dublat 13. Pe ecranul osciloscopului observati ca semnalele incidente si reflectate mai intai urca la un anumit nivel si apoi cresc exponential la fel cum s-a intamplat cu linia mai scurta, de 24m. Aceste semnale cresc in acelasi ritm in care au crescut si pe linia cea scurta. Asta se intampla deoarece constanta de timp a aceleiasi retea RC in serie prezentata temporar de linie este determinata de a) impedanta caracteristica (constanta) b) serii de rezistenta totala si capacitate paralela a intregii linii c) rezistenta in serie, capacitate in paralel si inductanta in serie a liniei pe unitatea de lungime d) factorul viteza care e o constanta 14. Inchideti unitatea de baza si deconectati toate cablurile si capetele de masurare.

Concluzii Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie poate fi masurata folosind metoda de raspuns la treapta: un semnal treapta rapid-ascendent este transmis in linie. Timpul necesar pentru aceast semnal sa parcurga distanta de la generator la capatul de receptie al liniei si apoi inapoi la generator este masurat. Acest timp 2T permite calculul vitezei de propagare. Viteza de propagare a unui semnal intr-o linie de transmisie este doar un procent din viteza luminii in spatiul liber. Viteza de propagare intr-o linie de transmisie cand este exprimata ca un procent din viteza luminii in spatiul liner se numeste factor de viteza.

Viteza de propagare intr-o linie de transmisie se determina in principal prin permitivitatea relativa a materialului dielectric folosit la fabricarea linie. Cu cat permitivitatea relativa este mai mica, cu atat viteza de propagare va fi mai mare.

COMPORTAMENTUL LINIEI DE TRANSMISIE SUB IMPEDANTA DE SARCINA REZISTIVAObiectivele exercitiului Dupa completarea acestui capitol, vor fi dobandite cunostinte despre felul in care o linie de transmisie la capatul careia se afla tipuri distincte de incarcari se comporta cand semnale de tip treapta sunt lansate pe linie. Vor mai fi facute cunoscute doua metode de determinare a impedantei caracteristice a unei linii de transmisie. Discutie Determinarea naturii impedantei de sarcina prin folosirea metodei raspunsului de tip treapta Cand o linie de transmisie este terminate de o sarcina a unei impedante necunoscute, metoda raspunsului trapta poate fi folosita pentru a determina natura acestei impedante ( fie ea pur rezistiva sau complexa?). Masuratorile sunt realizare folosind metoda raspunsului treapta. Un generator de semnal treapta si un osciloscop cu impedenta ridicata sunt conectate la capatul liniei de transmisie, folosind o conexiune de legatura, dupa cum arata figura 1-44: La timpul t=0, generatorul de semnal treapta produce un semnal incident, VI , care este lansat pe linie. Semnalul incident calatoreste de-a lungul liniei pana cand atinge capatul receptor al acesteia in timpul de tranzitie T. Daca impedanta de sarcina nu se potriveste perfect cu impedanta caracteristica a liniei, semnalul incident va resimti o schimbare in impedanta in timp ce paraseste linia de transmisie si intalneste sarcina. Acest lucru cauzeaza ca o parte din energia continuta in semnalul incident sa fie reflectata catre generator, decat sa fie absorbita de sarcina. Prin urmare, raspunsul semnalului de tip treapta observant la capatul receptor al liniei este suma algebrica a semnalului treapta inci