Напряжение как нуль единица

Фаза, ноль и земля в электрике

Владельцы домов или квартир, так или иначе, столкнутся с моментами, когда перестает функционировать какой-либо прибор, электрическая розетка или гореть лампа в люстре. Звать на помощь в таких ситуациях электрика не особо хочется — имеется большое желание исправить неполадки самостоятельно. Или может быть, например, есть какие-то познания в электросистемах, а потому работа по прокладке новых кабелей не кажется чем-то немыслимым. Как бы то ни было, в любом случае, предварительно стоит все же ознакомиться с основами электрики, с видами проводников, выяснить, как все это взаимосвязано и работает. Ведь очень важно понять, где располагается тот или иной провод — от этого будет зависеть правильность соединений и безопасность людей.

Если есть какой-то опыт работы в данной сфере, вопрос не поставит в тупик, однако для новичка может стать большой проблемой. Ниже пойдет речь о таких проводниках любой электрической сети питания как: «заземление», «фаза», «нуль», а также о том, как верно найти и отличить данные виды кабелей.

Разбираемся в основных терминах

С такими терминами, как «фаза» и «ноль» каждый сталкивается в своей жизни ежедневно. Все они тесно связаны, ведь относятся к электричеству, а это то, без чего жизнь современного человека не мыслима. Чтобы понять их природу и более или менее научиться разбираться в электрике, следует уяснить для начала ряд фундаментальных понятий.

Начинаем с основ

Электрический заряд — характеристика, определяющая способность различных тел быть источником электромагнитного поля. Носителем подобных волн является электрон. Создав электромагнитное поле можно «заставить» электроны перемещаться. Так образуется ток.

Ток — это четко направленное движение электронов по металлическому проводнику под действием существующего поля.

Виды тока

Ток может быть постоянным и переменным. Ток, по величине не изменяющийся во временном промежутке — ток постоянного значения. Ток, величина которого, как и направление, меняется с течением времени, называется переменным.

Постоянные источники тока — аккумуляторы, батарейки и так далее. Переменный же ток «подходит» к бытовым и промышленным розеткам домов и предприятий. Основная причина этого кроется в том, что данный тип тока намного легче получать физически, преобразовывать в разные уровни напряжений, передавать по электропроводам на огромные расстояния без существенных потерь.

Основная характеристика переменного тока

Переменный ток – как правило это синусоида, или синусоидальный ток. Его можно охарактеризовать следующим образом: сначала он увеличивается в одном направлении, достигая максимального своего значения (амплитуды), затем начинается спад. В некоторый момент времени он становится равен «0» и потом вновь начинает нарастать, но уже в совершенно противоположном направлении.

«Фаза», «ноль» и «земля»

Самый простой случай электроцепи, по которой перемещается синусоидальный ток — однофазная цепь. Она состоит, как правило, из трех электрокабелей: по одному из них электричество подходит к приборам и элементам освещения, а по второму – оно «уходит» в противоположном направлении — от потребителя. Третьим проводником является «земля».

Провод, по которому электричество подходит к электропотребителям, называется фазой, а кабель, используемый для возвратного движения — нулем.

Самая эффективная сеть для передачи электротока — трехфазная система. Она включает в себя три фазовых кабеля и один обратный — ноль. Такой тип тока подходит ко всем жилым кварталам. Непосредственно перед попаданием в квартиры, электроток делится на фазы. Каждым фазам «присваивается» один ноль. Преимущества такой системы в том, что при сбалансированной нагрузке ток через ноль (а он в такой системе один — общий) равен нулю.

Чтобы не перепутать провода и не допустить короткого замыкания, каждый провод окрашивают в разные цвета. Однако цвет провода не гарантирует его назначения!

«Земля» не несет никакой электрической нагрузки, а служит своего рода предохранительным элементом. В тот момент, когда что-либо в системе электропитания выходит из-под контроля, провод «земля» предотвратит поражение электротоком — по ней все избыточное напряжение будет «стекать», то есть, отводиться на землю.

Фаза и ноль: их значение в сети питания

Электроэнергия подается к потребительским розеткам от подстанций, которые уменьшают поступающее напряжение до 380 В. Вторичная обмотка такого трансформатора имеет соединение «звезда» — три его контакта связываются между собой в точке «0», остальные три вывода идут к клеммам «А»/«В»/«С».

Соединенные в точке «0» провода подсоединяются к «земле». В этой же точке происходит деление проводника на «ноль» (обозначен синим цветом) и защитный «РЕ»-кабель (желто-зеленая линия).

Данная модель прокладки проводов пользуются во всех возводимых ныне домах. Она называется — система «TN-S». Согласно этой схеме к распределительному оборудованию дома подходят три кабеля фазы и два указанных нуля.

В домах, на предприятиях и зданиях старой застройки зачастую нет «РЕ»-проводника и поэтому, схема получается не пятипроводной, а четырех (она обозначается как «TN-C»).

Все электропровода с подстанций подсоединяются к щитку, образуя систему из трех фаз. Далее уже происходит разделение по отдельным подъездам. В каждую из квартир подъезда подается напряжение лишь одной фазы — 220 В (провода «О»/«А») и защитный «РЕ»-кабель.

Вся возникающая нагрузка на систему электроснабжения при такой схеме распределяется в равномерном количестве, поскольку на каждом этаже дома выполняется разводка и подключение конкретных щитков к определенной электролинии напряжением в 220 В.

Схема подводимого напряжения представляет собой «звезду», которая в точности повторяет все векторные характеристики питающей подстанции. Когда в розетках нет никаких потребителей, то ток в данной цепи не протекает.

Данная схема соединения отработана годами. Она подтвердила свое право на использование тем, что признана оптимальной из всех существующих. Однако, в ней, как и в любом приборе, механизме или устройстве, периодически могут появляться всевозможные поломки и неисправности. Как правило, они бывают связаны с плохим качеством электросоединения или же полным обрывом кабелей в каких-либо местах схемы.

Случаи обрывов в токопроводящей цепи

Если внутри отдельно взятой квартиры произошел разрыв нуля/фазы, то подключаемый прибор, как следствие, функционировать не будет.

Аналогичная ситуация возникнет и при обрыве контактов проводов любой из фаз питающих подъездный щиток. При этом все квартиры, получающие питание от данной электролинии, не будут получать электричество. Вместе с тем, в двух оставшихся цепях приборы будут функционировать, как и прежде.

Из этих схем видно, что полное отключение питания в квартирах связано с обрывом одного их проводов. Это не приводят к повреждению и выходу из строя приборов.

Самой же серьезной ситуацией является обрыв между заземляющим контуром и центральной точкой подключения всех потребителей.

В данном случае весь электроток перестает течь по рабочему нулю к «земле» (АО, ВО, СО) и начинает двигаться по пути АВ/ВС/СА к которым подведено 380 В.

Возникает «перекос фаз». В фазах с большей нагрузкой напряжение будет меньше, а с меньшей нагрузкой — больше и может достигнуть значительных величин, близким к 380 В. Это вызовет повреждение изоляционных материалов, нагрев и выход из строя оборудования. Предотвратить подобные случаи и защитить дорогое оборудование позволяет система защиты от перегрузок и высоких напряжений, монтируемая в квартирных щитках.

Варианты определения проводников «фаза»/«ноль»

Итак, наступила, ситуация, когда необходимо, например, подключить новую розетку. Но совершенно не понятно, какой из проводов является фазным, а какой нулевым. Способов быстро решить проблему существует несколько — это можно сделать как с применением специальных приборов, так и без них.

Цветовая окраска проводов, как основной ориентир

Это самый легкий и быстрый способ. Для правильной классификации нуля и фазы следует знать, какой цвет провода к чему относится. Предварительно необходимо будет изучить информацию о том, где четко прописаны действующие стандарты для конкретной страны.

Данный метод весьма актуален в любых новостройках, поскольку сейчас вся электрическая проводка прокладывается специалистами, выполняющими свою работу согласно всем требованиям установленных стандартов. Так, например, в России еще в 2004 году был принят стандарт «IEC60446», в котором четко обозначена процедура разделения кабелей по цветам, а именно:

• защитным нулем стал обозначаться провод желто-зеленого цвета;
• рабочим нулем стали называть синий/сине-белый провод;
• фазу — провода других цветов (например, черного, красного, коричневого и прочие).

Такое обозначение актуально в настоящее время.

Если проводка уже довольна старая или ее прокладкой занимались непрофессиональные специалисты, правильнее будет все же воспользоваться иными методами определения.

Отвертка-индикатор — незаменимое приспособление

Данный инструмент является неотъемлемым прибором в наборе домашнего электрика-умельца. Она применяется как при выполнении электромонтажных работ, так и при установке осветительных приборов в помещении или даже в процессе обыкновенной замены лампочек.

Принцип ее работы заключается в прохождении емкостного тока сквозь корпус отвертки через тело оператора.

• корпус, выполненный из диэлектрического материала;
• наконечник из металла в форме плоской отвертки, который прикладывают к проводам при проверке;
• неоновый индикатор — лампочка, сигнализирующая о фазовом потенциале;
• ограничитель тока — резистор, понижающий ток до минимального значения и выполняющий роль защитного механизма: защищает человека от поражения током, а само устройство от выхода из строя;
• контактная металлическая площадка, создающая замкнутую цепь через человека на землю.

Методика работы настолько проста, что справиться с ней может любой человек, даже новичок. Работает индикаторная отвертка следующим образом. При прикосновении наконечником к фазному контакту (цветному проводу) происходит замыкание электрической цепи — неоновая лампа должна загореться. То есть, поступает «сообщение» о наличии сопротивления, следовательно, данный кабель является фазой. В то же время ни на заземлении, ни на нуле, она загораться не должна. Если это происходит, можно с уверенностью говорить о том, что в схеме подключения электропроводки есть ошибки.

Работа с отверткой-индикатором в светлое время суток потребует некоторой внимательности — днем свечение лампы плохо заметно, поэтому придется приглядываться.

При работе с подобными приспособлениями нужно быть крайне осторожным — нельзя дотрагиваться до оголенных участков проводников и выводов индикатора, находящихся под напряжением.

На заметку! Профессиональные электрики пользуются более дорогими многофункциональными индикаторами, свечением которых управляет схема на транзисторах, питающаяся от встроенных аккумуляторов напряжением в 3 В. Еще одним их характерным отличием от простых аналогов является отсутствие контактной площадки, к которой нужно прикасаться при выполнении замеров.

Устройства, помимо своего прямого назначения — проверки фазового провода — выполняют и ряд других вспомогательных задач: определение полярности источников постоянного напряжения, места обрыва электроцепи и так далее.

Мультиметр — надежный помощник

Чтобы вычислить фазу, используя тестер, его необходимо переключить в режим «вольтметр» и мерить напряжение между всеми парными выводами кабелей. Соединение щупов с защитным нулем и заземлением должно показывать отсутствие напряжения. Напряжение между фазой и любым другим проводов должно составлять 220 В.

Способы определения проводов:

Так, в первом случае вольтметр отклоняется от нулевой отметки в цепи «ноль/фаза». На другом рисунке он показывает отсутствие напряжения между нулем и землей. И на третьем, вольтметр между фазой и землей показывает «0 В» поскольку проводник еще не подсоединен к земле. Третий случай — это скорее исключение из правил. Такое возможно, например, в случаях, когда старые кабеля здания находится на этапе реконструкции. В нормальной работающей системе электропроводки вольтметр тоже должен показывать 220 В.

Использование лампы накаливания

Перед началом работы необходимо будет собрать приспособление для тестирования. Оно будет состоять из обыкновенной лампочки, патрона и проводов. Лампа вкручивается в патрон, а к клеммам патрона крепятся проводники. Один из проводов необходимо будет заземлить, например, подсоединить к батарее отопления.

Сущность метода заключается в поочередном прикладывании второго (свободного) проводника ко всем тестируемым жилам. Если лампочка вспыхнет — найден фазный провод.

Метод позволяет установить приблизительно наличие фазного кабеля среди остальных. Сигнал лампы точно сигнализирует о том, что среди этих проводников какой-то фазовый, а какой-то нулевой. Если же лампа не горит, значит среди кабелей нет фазного. Но может случиться, что нет как раз именно нулевого.

Поэтому в большей степени данный метод целесообразен для определения работоспособности электрической проводки и правильности монтажа.

Определение сопротивления петли «ноль/земля»

Замер величины сопротивления петли является залогом бесперебойной работы электрических приборов. Время от времени это следует проводить, поскольку основные причины поломки техники кроются в замыканиях и перегрузках электросетей. Замер сопротивления позволит исключить подобные неприятности.

Что представляет собой эта петля

Данная петля является контуром, возникающим в результате соединения «нуля» с заземленной нейтралью. Как раз именно замыкание этой цепи и будет образовывать данную петлю.

Главная задача по измерению сопротивления данной петли — надежная защита оборудования и кабелей от перегрузок во время эксплуатации. Высокое сопротивление станет причиной чрезмерного повышения температуры электролинии, и как следствие, возникновения пожара. Значительное влияние на качество электропроводки оказывает влажность воздуха, температура, время суток — все это сказывается на состоянии электросети.

В заключении

Данный материал позволяет понять, что вообще такое фаза и ноль, какова их роль в современной электрике, каким образом можно установить, где располагается в проводке фазная и нулевая жилы. Ведь вопрос определения нуля, фазы и заземления весьма важен. Подключение некоторых видов приборов по результатам неправильной проверки может повлечь за собой негативные последствия — сгорание электроприборов, или, что еще опаснее, поражение током.

Источник



Уровни напряжения логических схем «0» и «1» и согласование транзисторно-транзисторной логики ТТЛ и КМОП логики с помощью обратной связи, резисторов, транзистора

Логические элементы оперируют сигналами двух типов: «высокий логический уровень» (1) и «низкий логический уровень» (0), которые характеризуются различным уровнем напряжения: полное напряжение питания принимается в качестве уровня «логической единицы», а нулевое напряжение — в качестве уровня «логического нуля».
В идеальном случае все сигналы логических элементов существовали бы в виде этих двух предельных уровней напряжения, и никогда бы от них не отклонялись (например, ниже полного напряжения для «высокого уровня», или выше нуля для «низкого уровня».) Однако в реальности уровни напряжения цифровых сигналов практически никогда не достигают этих идеальных величин.

Вследствие наличия паразитных падений напряжения в схемах на транзисторах, наводок, длины линии передачи сигнала и т.д.. Поэтому для логических схем интерпретируют сигналы как логическую единицу или логический нуль, даже в тех случаях, когда напряжение сигналов лежит в диапазоне между полным напряжением питания и нулём, то есть номинально не соответствует ни тому ни другом показателю.

Номинальное напряжение питания для логических радиоэлементов (микросхем) и номинальное значение логического 0 и логической 1

Элементы ТТЛ работают при номинальном напряжении питания 5 вольт, +/- 0,25 вольт. В идеале, сигнал высокого логического уровня должен быть равен ровно 5,00 В, а сигнал низкого уровня — ровно 0,00 вольт. Однако в реальных элементах ТТЛ не могут быть обеспечены подобные точные уровни напряжения, поэтому они могут принимать сигналы высокого и низкого уровней даже при значительном отклонении напряжения от идеальных величин. «Приемлемые» напряжения входного сигнала лежат в диапазоне от 0 до 0,8 вольт для низкого логического уровня, и от 2 до 5 вольт для высокого логического уровня. «Приемлемые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантируемые производителем элемента в указанных вариантах нагрузки) лежат в диапазоне от 0 до 0,5 вольт для низкого логического уровня, и от 2,7 до 5 вольт для высокого логического уровня.

Если бы на вход элемента ТТЛ поступил сигнал напряжения в диапазоне от 0,8 до 2 вольт, то мы не получили бы гарантированной реакции схемы. Подобный сигнал будет рассматриваться как неопределённый, и в этом случае ни один производитель не даст гарантии того, к какому логическому уровню отнесёт схема подобный сигнал.
Как вы видите, диапазон допусков по уровням выходного сигнала меньше, чем в случае для входного сигнала. Это необходимо для обеспечения того, что цифровой сигнал, поступающий с выхода одного элемента логики на вход другого элемента, воспринимался бы таковым же, но с учетом условий потери и воздействия на него. Разница допусков между входным и выходным сигналами называется запасом схемы по помехоустойчивости. Для ТТЛ-схем, запас помехоустойчивости для низкого логического уровня представляет разность между 0,8 В и 0,5 В (т.е. 0,3 В), в то время как запас помехоустойчивости для высокого уровня равен 0,7 В (2,7 В — 2,0 В). Проще говоря, запас помехоустойчивости есть некий запас на паразитное или шумовое напряжение, которое может быть наложено на исходный сигнал, прежде чем принимающая схема может неверно его проинтерпретировать.

Спецификации входных и выходных сигналов схем КМОП логических элементов совершенно отличны от уровней напряжения, используемых для ТТЛ-элементов. Для КМОП-элементов, работающих при напряжении питания 5 вольт, приемлемые напряжения входного сигнала лежат в диапазоне от 0 до 1,5 вольт для низкого логического уровня, и от 3,5 до 5 вольт для высокого логического уровня. «Приемлемые» напряжения выходного сигнала (уровни напряжения, гарантируемые производителем элемента при указанном варианте нагрузки) лежат в диапазоне от 0 до 0,05 вольт для низкого логического уровня, и от 4,95 до 5 вольт для высокого логического уровня.

Представленные значения дают понять, что запас помехоустойчивости КМОП логических элементов гораздо больше аналогичного показателя ТТЛ-элементов: 1,45 вольт как для логического нуля, так и для логической единицы, против максимального запаса в 0,7 В в случае ТТЛ. Другими словами, КМОП-схемы могут выдержать более чем вдвое высокий наложенный шум на входе без ошибок интерпретации сигнала как логического нуля или единицы.
Запас помехоустойчивости КМОП логических схем становится ещё больше при более высоких рабочих напряжениях. В отличие от элементов ТТЛ, напряжение питания которых не превышает 5 вольт, напряжение питания КМОП-схем может достигать 15 (а в некоторых случаях и 18) вольт. Ниже показаны приемлемые уровни логических нуля и единицы, для выхода и входа КМОП-ИС, работающих при напряжении питания 10 и 15 вольт соответственно:

Запас помехоустойчивости может быть выше того, что показано на предыдущем рисунке. На рисунке показан худший из возможных вариантов поведения сигнала на основании спецификаций производителя. На практике логическая схема может выдержать сигналы высокого логического уровня со значительно меньшим напряжением и сигналы низкого логического уровня с гораздо большим напряжением чем указано.
И наоборот, исключительно малые показанные запасы помехоустойчивости — гарантирующие выходное состояние сигналов высокого и низкого логических уровней с точностью до 0,05 вольта напряжения питания — практически реальны. Такие «добротные» уровни выходного напряжения будут доступны только при минимальной нагрузке. При значительном втекающем или вытекающем токе схемы выходное напряжение не будет поддерживаться на этих оптимальных уровнях, что обусловлено наличием внутреннего сопротивления каналов выходных МОП-транзисторов логических элементов.

Помехоустойчивость при единичных (разовых) скачках напряжения, появления помехи (наводки)

В пределах «неопределённого» диапазона для любого входа логического элемента, будет иметься точка разделения актуального сигнала низкого уровня от диапазона действительного входного сигнала высокого уровня. То есть, где-то между наименьшим напряжением сигнала высокого логического уровня и наибольшим напряжением сигнала низкого логического уровня гарантированного производителем, существует порог напряжения, при котором логическая схема будет менять интерпретацию сигнала с высокого на низкий и наоборот. В случае большей части логических схем, это напряжение соответствует одной определённой точке:

При наличии шумового напряжения переменного тока, наложенного на входной сигнал постоянного тока единственная точка, в которой схема переменит интерпретацию логического уровня будет обуславливать ошибочный сигнал на выходе.

Подобная проблема характерна также для аналоговых ОУ-компараторов напряжения. В случае одиночной пороговой точки смены логического уровня наличие значительного шума может привести к неверной интерпретации логического уровня на выходе.

Эту проблему можно решить путём введения в цепь усилителя положительной обратной связи. В случае операционного усилителя необходимо соединить выход с неинвертирующим входом через резистор. Схемы подобного типа называются триггерами Шмитта. Триггеры Шмитта идентифицируют логический уровень сигнала согласно двум пороговым уровням: при нарастающем напряжении (VT+), и при падающем напряжении (VT-):

На схемах триггеры Шмитта изображаются с символом «гистерезиса». Гистерезис, вызванный положительной обратной связью в схеме логического элемента, придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. Триггеры Шмитта часто используются в схемах с высокой вероятностью шума на входе, а также в тех случаях когда ошибочно интерпретированный сигнал на выходе приведёт к некорректной работе системы в целом.
Различные требования по уровням напряжения ТТЛ- и КМОП-элементов создают определённые проблемы при использовании в одной схеме элементов двух типов. Хотя работа КМОП логических элементов может осуществляться при том же напряжении питания 5,00 В, которое необходимо для элементов ТТЛ, выходные уровни напряжения ТТЛ логики несовместимы с входными требованиями по напряжению для КМОП-схем.
Возьмём к примеру ТТЛ-элемент НЕ-И, сигнал с выхода которого подаётся на вход КМОП-инвертора. Питание обоих элементов составляет 5,00 В (Vcc). Если с выхода элемента ТТЛ приходит сигнал логического нуля (т.е. между 0 и 0,5 В), то он будет верно интерпретирован на входе КМОП-схемы как сигнал низкого логического уровня (т.е. сигнал между 0 и 1,5 В):

Однако, если с выхода элемента ТТЛ приходит сигнал логической единицы (т.е. между 5 и 2,7 В), то он может быть неверно интерпретирован на входе КМОП-схемы как сигнал высокого логического уровня (т.е. ожидается сигнал между 5 и 3,5 В):

Такое несоответствие может привести к тому, что «правильный» сигнал высокого уровня на выходе ТТЛ- элемента (правильный с точки зрения стандартов ТТЛ) будет лежат в «неопределённом» диапазоне входа КМОП-схемы, и быть неверно воспринят как сигнал логического нуля принимающим элементом. Простым решением этой проблемы может стать повышение сигнала логической единицы элемента ТТЛ с помощью нагрузочного повышающего резистора:

Однако потребуется гораздо более серьёзная переделка схемы, если питание КМОП-схемы выше 5 вольт:

Проблемы не возникнет в случае логического нуля, однако всё обстоит совершенно иначе в случае сигнала высокого логического уровня с выхода элемента ТТЛ. Диапазон выходного напряжения 2,7-5 В с выхода элемента ТТЛ совершенно не соответствует приемлемому диапазону 7-10 В КМОП логической схемы. Если мы используем ТТЛ-схемы с открытым коллектором, то нагрузочный резистор, включённый в шину питания Vdd 10 вольт, поднимет сигнал высокого логического уровня до полного напряжения питания КМОП логической схемы. Поскольку в схеме с открытым коллектором в наличии только втекающий ток, напряжение логической единицы полностью определяется тем напряжением питания, к которому подключён повышающий резистор, что помогает решить проблему несоответствия уровней напряжения.

Благодаря прекрасным характеристикам выходного напряжения КМОП схем, проблем при подключения ТТЛ элемента к выходу КМОП схемы обычно не возникает. Единственной серьёзной проблемой может стать токовая нагрузка, поскольку КМОП-схема должна обеспечивать втекающий ток на каждый вход элемента ТТЛ в случае логического нуля.
Если КМОП-схема питается от источника напряжения выше 5 вольт (Vcc), то возникнет проблема. Напряжение логической единицы КМОП-схемы выше 5 вольт не будет находиться в диапазоне допустимых входные параметров элемента ТТЛ. Решением этой проблемы может стать инвертор с «открытым коллектором» на дискретном NPN-транзисторе, используемом для соединения двух логических схем:

Повышающий резистор Rpullup используется опционально, поскольку входы элементов ТТЛ принимают высокий логический уровень, когда находятся в плавающем состоянии, что и произойдёт, когда выход КМОП-схемы будет низким, а транзистор будет находиться в состоянии отсечки. Конечно, важным последствием такого решения является логическая инверсия, создаваемая транзистором: когда на выходе КМОП-схемы будет сигнал логического нуля, элемент ТТЛ будет «видеть» логическую единицу и наоборот. Однако, если принимать эту инверсию во внимание, то корректная работа схемы не будет нарушена.

Источник

Теоретическая часть. Как известно, в цифровой электронике логический «0» и логическая «1» представляются соответствующими уровнями напряжения

Как известно, в цифровой электронике логический «0» и логическая «1» представляются соответствующими уровнями напряжения. Например, транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) использует 0В в качестве логического нуля и 5В как логическую единицу (или напряжения, которые близки к данным). В других структурах (КМОП и др.) напряжения необязательно равны 0 и 5 вольт соответственно. Это говорит о том, что логические уровни могут быть представлены любыми парами напряжения на наше усмотрение – их выбор не настолько важен, как может показаться.

Особенно этот выбор важен, когда сигнал будет передаваться не в пределах одной микросхемы, а по линиям связи, таким как, например, телефонная линия. Стандартные напряжения, используемые в ТТЛ и КМОП микросхемах меньше, чем необходимо для этой цели. Более того, нахождение напряжения на одном уровне весь период длительности логического элемента может иметь отрицательное влияние. По этим причинам цифровые сигналы перед тем, как поступить в линию связи проходят через специальную операцию – перекодирование.

Существует достаточно кодов, используемых для передачи в линиях связи. Вот четыре из них :

– Non-return to zero — level (bipolar) (NRZ-L)

Оригинальный цифровой сигнал сохраняется, но сдвигается симметрично относительно 0В.

– Bi-phase — level (Bi$-L также известен как Манчестерский код)

Уровень меняется на середине длительности бита с +V на – V, если это логическая «1», и с – V на + V, если это логический «0».

– Return to zero — alternate mark inversion (RZ-AMI)

Как видно из рисунка 1, этот код использует нулевой уровень напряжения в качестве логического «0» и импульсы длиной в полбита для логической единицы. При этом, полярность импульсов чередуется (даже если единицы идут не одна за другой).

– Non-return to zero — mark (bipolar) (NRZ-M)

В этом коде напряжение меняет уровень, если поступает «1», и не меняет, если поступает «0».

Таблица на рисунке 15.2 отражает сравнительные характеристики этих четырех кодов по необходимой полосе частот для передачи и возможности восстановления частоты следования битов из полученного сигнала.

Как видно из этой таблицы, RZ-AMI код представляет собой наилучший компромисс между используемой шириной полосы передачи и способностью восстановления тактовой частоты следования битов. Поэтому, он широко используется в цифровой связи.

Восстановление тактовой частоты битов (Bit-clock regeneration).

В цифровой связи, после того, как сигнал был демодулирован приемником и очищен от помех, происходит считывание информационных битов данных. Какая бы схема и какое бы устройство не выполняло бы эту операцию, оно должно иметь тактовую частоту соответствующую тактовой частоте следования битов исходных данных. В противном случае, некоторые биты могут быть прочитаны несколько раз или же наоборот – не прочитаны совсем. Каждый из этих вариантов влечет появление ошибок обработки.

В проводных линиях связи и цифровых устройствах для этого используют отдельных провод, по которому происходит синхронизация источника и приемника. В беспроводных же линиях это невозможно, так как для этого необходимо прокладывать дополнительную линию. Одним из методов удаленной синхронизации и является метод восстановления тактовой частоты битов (bit-clock regeneration — BCR).

Самым простым методом восстановления тактовой частоты следования битов является извлечение основной гармоники из спектра сигнала. В спектре Манчестерского кода существует значащая гармоника соответствующая исходной тактовой частоте. Сигнал с такой частотой может быть выделен с помощью простого избирательного полосового фильтра.

Остальные представленные коды не имеют значащей гармоники соответствующей исходной тактовой частоте битов. Несмотря на это, их спектр представлен гармониками, которые являются производными от основной путем перемножения. Поэтому, при математической обработке сигнала(возведение в квадрат) может быть получена гармоника, соответствующая изначальной частоте битов.

После извлечения синусоиды с исходной частотой битов, она направляется в компаратор, так оцифровывается и используется как тактовая частота обработки принятых битов.

1. Собрать схему, показанную на рисунке15.3:

Черные провода от осциллографа заземлить – т.е. вставить в ячейки GND.

2.Установить регулятор кода в положение 00.

Схема может быть представлена блочной диаграммой:

Цифровой сигнал с частотой 2 кГц обеспечивает синхронизацию источнику генерирования случайной последовательности. С выхода генератора последовательностей (выход Х) снимается 31-битное двоичное слово. Затем оно преобразуется с помощью кода, задаваемого регулятором (четыре сочетания 0 и 1 соответствуют четырем кодам) и подается на выход Line.

3.Запустить осциллограф NI Elvis Oscilloscope.

4. Установить следующие настройки:

-Timebase на 1ms/div

-Trigger Type на Digital

5. Активировать второй канал осциллографа и сравнить исходную и перекодированную последовательности.

6. Рассмотреть остальные три кода, последовательно переключая регуляторы от 01 до 11.

Какой из четырех кодов является биполярным?

Какой из кодов использует нулевое напряжение для представления логического «0»?

Используя правило RZ-AMI кода определить количество логических «1» в отображаемой части выходной последовательности.

Часть 2. Рассмотрение сигнала в частотной области.

1. Закрыть осциллограф.

2. Запустить Dynamic Signal Analyzer VI.

3. Установите соответствующие настройки:

— Source Channel на SCOPECH1 FFT Settings

— Frequency Span на 40,000

— Resolution на 400

— Window на 7 Term B-Harris

– Type на Digital

— Voltage Range на ±10V

— Weighting to Exponential

— # of Averages to 3

Правильно настроенный анализатор сигнала должен показать следующую картинку:

Рисунок 15.5

Сравните спектральные диаграммы четырех кодов.

Одним из недостатков Манчестерского кода является то, что для его передачи требуется полоса частот в два раза шире, чем у остальных трех кодов.

Чтобы привести одно из доказательств этого, замерьте частоту первого нуля в спектре у всех четырех кодов:

Часть 3. Восстановление частоты битов.

1. Измените уже собранную схему как показано на рисунке 15.6:

2. Установить регулятор Gain усилителя в среднее положение, а регулятор частоты среза фильтра fc в крайнее правое.

Данная схема может быть представлена блочной диаграммой. Настраиваемый ФНЧ используется для уменьшения полосы передачи сигнала. Перемножитель умножает сигнал на самого себя для того, чтобы придать ему прямоугольную форму. Получается произведение синусоид всех частот и их сумм и разностей. Некоторые из синусоид имеют ту же частоту, что и первоначальная последовательность битов и складываясь, они увеличивают её амплитуду.

3. Рассмотрите спектры полученных сигналов для всех четырех кодов.

Источник