59
ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKA Kevad 2020 Ajalised- ja sageduskarakteristikud Martin Jaanus NRG-308 [email protected] 56 91 31 93 Õppetöö : http://isc.ttu.ee Õppematerjalid : http://isc.ttu.ee/martin

ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

ATR0110 ANALOOG- JA

DIGITAALTEHNIKA

Kevad 2020

Ajalised- ja sageduskarakteristikud

Martin Jaanus NRG-308

[email protected] 56 91 31 93

Õppetöö : http://isc.ttu.ee

Õppematerjalid : http://isc.ttu.ee/martin

Page 2: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Teemad

Ajalised- ning sageduskarakteristikud

• RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

• Hüppekaja

• RLC (resonants)

• Amplituudageduskarakteristik

• Faasisageduskarakeristik

• Lihtsamad filtrid

Järgnevatel slaididel on üritatud vältida võimalikult palju

matemaatikat.

Page 3: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Alalissignaal (DC, Direct current ), (vool või pinge) – aeglaselt

muutuv signaal. Märgiga suurus. Signaal mõõtmise ajahetkel

ei muutu. Staatiline olek.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.5 1 1.5 2

V

t

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.5 1 1.5 2

V

t

Alalisvool (ja – pinge)

Page 4: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Vahelduvsignaal (AC, Alternative current ), (vool või pinge) –

Vaadeldava aja jooksul muutuv signaal. Muutub voolu suund

Erinevad väärtused.

-350

-250

-150

-50

50

150

250

350

0 0.5 1 1.5 2

V

t -20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 0.5 1 1.5 2

V

t

Perioodiline Mitteperioodiline

Vahelduvvool (ja – pinge)

Page 5: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

-350

-250

-150

-50

50

150

250

350

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

V

t

Amplituud (A)

Max (V)

Amplituud (A)

Min (V)

p-p

Perood (T)

Perioodiline signaal, amplituud, tipust tippu, periood

Näiteks:

u(t)=A*sin(2πt+φ)

Signaalil on mitu väärtust

• Amplituudväärtus

• Tippväärtus (max,min)

• Keskväärtus:

• Mooduli keskväärtus

• Efektiivväärtus (rms,

(root mean square)

𝑈𝑚𝑘 =1

𝑇න0

𝑇

|𝑢 𝑡 |𝑑𝑡

𝑈0 =1

𝑇න0

𝑇

𝑢 𝑡 𝑑𝑡

𝑈𝑚𝑘 =1

𝑇න0

𝑇

𝑢2 𝑡 𝑑𝑡

Vahelduvvool (ja – pinge)

Page 6: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kahe sama sagedusega signaali omavaheline hilistumine.

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

TΔt

Δφ =Δ𝑡

𝑇∗ 3600

Faasinihe

Page 7: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaator

Kondensaator Füüsikaline suurus - mahtuvus C, ühik farad (F)

Pilt:wikipedia

Page 8: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaator

Mahtuvus näitab elektrilist inertsi , diferentsiaalvõrrandit saab võrrelda

Newtoni seadusega

Kondensaatori pinge on pidev (ei saa muutuda hetkeliselt !)

Integreerib voolu, pinge jääb voolust veerand perioodi maha.

Juhtivus on reaktiivne 𝑌𝑐 = 𝑗ω𝐶 𝑍𝑐 =1

𝑗ω𝐶ω = 2π𝑓 ω −nurksagedus (rad/s)

Juhtivus on võrdeline sagedusega.

Kondensaatorite jada ja paralleelühendusel kasutada juhtivusi !

CC

dvi C

dt=

dvF m

dt=

C=C1+C2+C3+....Cn 1/C=1/C1+1/C2+1/C3+1/Cn

Page 9: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaatori energia

• Kondensaator on energiasalvesti !

• Laadides kondensaatort konstantse vooluga I,

kasvab selle pinge ja (ka laeng ) lineaarselt:

Energia on võrdeline pinge ruuduga !

Page 10: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Induktor

Induktor , füüsikaline suurus induktiivsus L, ühik henri H.

Page 11: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Induktor

Induktor näitab elektrilist inertsi , diferentsiaalvõrrand:

Induktori vool on pidev (ei saa muutuda hetkeliselt !)

Integreerib pinget, vool jääb pingest veerand perioodi maha.

Takistus on reaktiivne ZL= 𝑗ω𝐿 𝑌𝐿 =1

𝑗ω𝐿ω = 2π𝑓 ω nurksagedus (rad/s)

Takistus on võrdeline sagedusega.

Induktorite jada ja paralleelühendusel kasutada takistusi !

L=L1+L2+L3+....Ln 1/L=1/L1+1/L2+1/L3+1/Ln

LL

div L

dt=

Page 12: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Induktori energia

• Induktor on energiasalvesti !

• Laadides induktorit konstantse pingega V,

kasvab selle vool ja (ka magnetvoog ) lineaarselt:

Energia on võrdeline voolu ruuduga !

Pilt:wikipedia

Page 13: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaator ja induktor

• Energia, mis on sinna salvestatud, saame igal juhul kätte !

• Skeemide disainimisel tuleb sellega arvestada !

Ekraanipilt videost https://www.youtube.com/watch?v=hIkNY5xjy5k

Lülitit ei tohi vahetult ühendada

Induktoriga jadamisi !

Kondensaatoriga rööbiti !

Kui see on möödapääsmatu,

tuleb kasutada erilahendusi !

Page 14: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaatorid ja induktorid

• ....on olemas ka siis kui me neid ei taha !

• Nagu ka takistus .

Parasiitkomponendid

• Mida kõrgem on sagedus, seda rohkem annavad endast märku L Ja C !

• Seadmete disainil tuleb sellega arvestada !

• Ostate poest selle:

• Aga saate selle :• Sobib suvalise reaalse R,C või L aseskeemiks !

Page 15: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaatorid (kasulik info)

• (Elektrolüüt)kondensaatoritel võib tänu valmistustehnoloogiale olla

küllaltki suur parasiittakistus ja –induktiivsus , selle kompenseerimiseks

ühendatakse väiksema mahtuvusega kondensaator rööbiti.

• Elektrolüütkondensaatoritel on oluline polaarsus ning tööpinge.

Pildid:wikipedia Elektrolüütkondensaatori aseskeem

Page 16: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Superkondensaatorid

• Väga suure mahtuvusega (kuni mitu tuhat faradit)

• Nanotehnoloogia

• Piiratud tööpinge

• Suur lekkevool

• Suur parameetrite hajuvus

• Kasutusel ajutise energiasalvestisena

Grafeen (wikipedia)

Page 17: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kondensaatori laadimine läbi takisti

• Mitte midagi ei toimu hetkega. Eeldame, et kondensaatoril

on pinge 0 ehk see on laadimata.

• Lüliti sulgemisel laetakse kondensaator allika pingeni V,

aga see võtab aega.

+R Cv +

–+i

http://193.40.240.74/video/C_laadimine_I.mp4 (kondensaatori laadimine püsiva vooluga)

http://193.40.240.74/video/C_laadimine_R.mp4 (kondensaatori laadimine läbi takisti)

Page 18: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Algtingimused:

Kirchhoffi pingesadus:

Vool:

Hüppekaja( )

( ) ( )ttv

vC

1

00

=

=

+R C

v +

–+

i

( ) ( )

( ) ( )tvdt

dCti

tvtRi

C

C

=

=+ 1

Esimest järku lineaarne diferentsiaalvõrrand 1=+ CC v

dt

dvRC

Erilahend (sundkomponent) ( ) 1~ =tvC

Üldlahend (vabakomponent) ( ) RC

t

C Aetv−

=

Kondensaatori pinge on 0

1(t) Heaviside funktsioon

(ühikhüpe –allika pinge 1V)

Page 19: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Hüppekaja

( ) RC

t

Aetv−

+=1 ( ) 00 =v ( ) 0110

0

=+=+=−

AAev RC

( ) RC

t

etv−

−=1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 1 2 3 4 5

RC

RC

RC – ajakonstant. Aeg, mille jooksul kasvab pinge kondensaatoril 2/3 allika pingest.

Page 20: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Hüppekaja

+R C

v +

–+i

Algolek: vC(0)=0

Lõppolek: vC()=1

Algolek: vR(0)=1

Lõppolek: vR()=0

Algolek: i(0)=1/R

Lõppolek: i()=0

Neid olekuid ühendab eksponent, mille ajakonstant on RC.

Page 21: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Integreeriv ahel

Diferentseeriv ahel

Lihtsaimad RC ahelate realisatsioonid eeldusel et sisend käitub kui pingeallikas, funktsiooniks on ühikhüpe ning väljund on koormamata.

Integreeriv ja diferentseeriv ahel RC

+R C

v +

–+

i

+R

Cv +

+

i–

Page 22: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Integreeriv ahel

Diferentseeriv ahel

Ajakonstant τ=LG=L/R

Lihtsaimad LR ahelate realisatsioonid eeldusel, et sisend käitub kui pingeallikas, funktsiooniks on ühikhüpe ning väljund on koormamata.

Integreereiv ja diferentseeriv ahel LR

L

L

R

R

Page 23: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Martin Jaanus 2007 TTÜ Automaatikainstituut

Kuidas leida ajakonstanti esimest järku sidus

Selleks et leida ajakonstanti esimest järku sidus tuleb:

1. Asendada allikad ja mõõteriistad nende sisetakistustega.

2. Lihtsustada võimalikult palju skeemi.

3. Arvutada ajakonstant

L GRC

τ=RC τ=LG

Page 24: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

2. Arvutame

Martin Jaanus 2007 TTÜ Automaatikainstituut

L

+

–R V

+

R=600Ω

L=300mH

1. Asendame allika ja mõõturi

sisetakistustega. Voltmeeter-tühis,

pingeallikas – lühis.

Kuidas leida ajakonstanti esimest järku sidus, näide 1

L

G

τ=LG

τ=LG=L/R=300mH/600Ω=0.5ms

Page 25: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Martin Jaanus 2007 TTÜ Automaatikainstituut

Kuidas leida ajakonstanti esimest järku sidus, näide 2

+

R2

V+

R1=10kΩ

R2=10kΩ

C=22nF

1. Asendame allika ja mõõturi

sisetakistustega. Voltmeeter-tühis,

pingeallikas – lühis.

τ=RC2. Arvutame

τ=RC=C*R1*R2/(R1+R2)=22nF*5kΩ=110uS

R1

R1C

C

R2

C R1*R2R1+R2

R=

Page 26: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

RC –harmooniline signaal

• Ülekandefunktsioon -leiame kondensaatori ja sisendpinge

suhte . Tegemist on pingejaguriga, kus üks takistus on

mahtuvuslik ja sõltub sagedusest.

CjR

VI

1+

=1

1.......

1

1

+==

+

=RCj

V

CjR

CjVVC

RC- ajakonstant !

Ülekanne tuleb

kompleksarv ning

sõltub sagedusest

f 2= nurksagedus (ringsagedus)

j – imaginaarühik j2=-1 (matemaatikas i )

1

1

+=

RCjV

VC

+R C

v +

–+

i

Page 27: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

RC –harmooniline signaal, faasor

• Ülekandel on kaks komponenti - amplituud ja faas.

• Jadaühendus – vool on komponentides sama.

• Takisti pinge on vooluga faasis, kondensaatoril jääb pinge 90 kraadi maha.

1

1

+=

RCjV

VC

RC- ajakonstant !

Ülekanne tuleb

kompleksarv ning

sõltub sagedusest

f 2= nurksagedus (ringsagedus)

j – imaginaarühik j2=-1 (matemaatikas i )

I

Vc

VR

V=I*Z

ᵠ–

+R C

v +

–+

i

Page 28: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

RC –harmooniline signaal, faasor

• Ülekandel on kaks komponenti - amplituud ja faas.

• Amplituud

I

Vc

VR

V=I*ZX𝑐 =

1

ω𝐶

𝑉𝐶𝑉=

𝑋𝑐

𝑅2 + 𝑋𝑐2

+R C

v +

–+

i

Page 29: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

RC –harmooniline signaal, faasor

• Ülekandel on kaks komponenti - amplituud ja faas.

• Faas

I

Vc

VR

X𝑐 =1

ω𝐶

+R C

v +

–+

i

Page 30: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Sageduskarakteristikud

• Näitavad ahela ülekande sagedussõltuvust

• Amplituudsageduskarakteristik

• Faasisageduskarakteristik (sageli sellest ei räägita)

• Ülekandefunktsiooni graafiline (ja logaritmiline) esitus

• Logaritmimine lihtsustab tunduvalt murdratsionaalse

funktsiooni esitamist.

( )( )( ) ( )( )( ) ( )n

m

pspspsb

zszszsasT

−−−

−−−=

210

210

js

Page 31: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Sageduskarakteristikud

31

Ülekanne on igal sagedusel kompleksarv

Logaritmides saame

( ) ( ) ( ) jeAjT =

Kust on näha, et liituvad amplituudi logaritmid ja faasid

kus A(ω) on amplituudsageduskarakteristik

φ (ω) on faasisageduskarakteristik

( ) ( ) ( ) jAjT += loglog

Kui need suurused kujutada sõltuvatena sageduse

logaritmist, saame logaritmilised

sageduskarakteristikud.

Page 32: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

32

Vahemik, millel sagedus muutub 10 korda on 1 dekaad

[dec].

Alumisel skaalal on dekaadid Kasutatakse ka oktaavi [oct]- see on sageduse 2-kordne

muutus.

ω

u=logω

ω0 10ω0 100ω00.1ω00.01ω0

0 1 2-1-2-3

0.001ω0

Logaritmiline sagedustelg

Page 33: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

33

Näiteid sagedusteljelt

( )decligikaududeckorda 3.030103.02

( )dectegelikultdecoktaav ...301.03.01

kordaoct 83 −

kordaoct 42 −

kordaoct 164 −

kordadec 1002 −

kordadec 10003 −

kordadec 100004 −

dec5.0

dec1.0

dec7.0

korda4

korda5

korda20

korda162.310 =−

korda259.11010 =−

korda52

10 =−

dec6.0

dec7.03.01 =−

dec3.13.01 =+

Logaritmiline sagedustelg

Page 34: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

34

Amplituud - analoogiline, kuid teised nimetused

ühikutel logA A

10

100

1

0.1

0.01

1

2

0

-1

-2

20 dB

40 dB

0 dB

-20 dB

-40 dB

1 dekaad=20 detsibelli

( )dB

dBkorda

02.6

62 −kordadB 41.123 −

dBkorda 2620 −

dBkorda 145 −dBkorda 601000 −

dBkorda 54.93 −kordadB 162.31010 −

Logaritmiline amplituud

Page 35: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Kasutatakse kui suuruste diapasoon on väga suur

• Mobiiltelefon – saatja 2 W , vastuvõtja 0.02 μW

• Kuulmine

Kasutatakse ühikut bell (B) , mis on võimsuste suhte kümnendlogaritm.

( Alexander Graham Bell) . Praktiliseks kasutamiseks suur.

Kasutatakse detsibelli X(dB) =10log(X/Xo)

Korrutamine-jagamine muutub liitmiseks-lahutamiseks !

Väga mugav kasutada signaalitöötluses.

NB ! Pinge ja voolu korral !

Kuna võimsus on võrdeline pinge (ja ka voolu ) ruuduga siis.

K(dB) =10log(V2/V02)=20log(V/V0)

Detsibell (dB)

Page 36: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

36

( )pjps

sT+

+

=

11

Bode diagrammid

Bode diagrammid ehk

logaritmilised sageduskarakteristikud graafilises

esituses saame teljestikus, kus horisontaalteljel on

sageduse logaritm ja vertikaalteljel amplituudi

logaritm või faas.

NB! Võrreldakse ω ja p!

( )p

jppjpj

arctanloglog

1log 22 −+−=+−=

+

amplituud faas

p>0

Page 37: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

39

-20 dB

-18 dB

-16 dB

-14 dB

-12 dB

-10 dB

-8 dB

-6 dB

-4 dB

-2 dB

0 dB

0.1 1 10-3dB

Bode diagrammid: üks poolus ,RC, graafik

Sagedust, kus ülekanne on maksimaalsest väärtusest vähenenud 3dB,

nimetatakse üldjuhul piirsageduseks . Reaal- ja imaginaarosa on võrdsed.

𝑓𝐶=1

2𝜋𝑅𝐶

+R C

v +

–+i

Page 38: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

40

Nulli puhul on amplituudi märk vastupidine pooluse

omaga, karakteristik on peegelpilt sagedustelje

suhtes:

0 dB

10 dB

20 dB

30 dB

40 dB

-2 -1 0 1 2

decdB20+

decdB0

Bode diagrammid: üks null

Page 39: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

41

Kuna erinevate p väärtuste korral on karakteristikud

lihtsalt nihutatud sagedusteljel, siis üldjuhul saame

sellise eeskirja: liikudes sagedusteljel vasakult

paremale muutub karakteristiku kalle

+20 dB/dec, kui sagedus on võrdne nulli

absoluutväärtusega

-20 dB/dec, kui sagedus on võrdne pooluse

absoluutväärtusega

Nende murdepunktide vahel on asümptootilise

karakteristiku kalle 20n dB/dec, kus n on täisarv

Bode diagrammid: amplituudikarakteristiku kalded

Page 40: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

42

-0.50 pi

-0.25 pi

0.00 pi

-2 -1 0 1 2-0.7

+0.7

Faas: üks poolus

Page 41: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

• Enamikel juhtudel huvitab ülekanne vaid madalatel ja

kõrgetel sagedustel (hea kontrollida kasvõi skeeme ning

arvutusi). Sel juhul saab skeemi tunduvalt lihtsustada !

• Kui on vaja leida ülekannet konkreetsel sagedusel,

lihtsustada sageli ei saa !

Sageduskarakteristikud

Teist järku ahela ( s astme järgi näeb ära)

karakteristiku arvutamist saab

mõistlikkuse piirides veel käsitsi teha:

Küll aga saab lihtsalt skeemile

Pealevadates öelda, kuidas see käitub.

(ühekordne T filter)

M.J. 2004 (Sidud,süsteemid,signaalid)

Page 42: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Sagedus läheneb nullile(alaliskomponent), aeg läheneb lõpmatusele

• Kondensaatorid saab asendada tühisega , sest juhtivus läheneb nullile

• Induktorid saab asendada lühisega sest takistus läheneb nullile.

Sagedus läheneb lõpmatusele , aeg läheneb nullile (siirdeprotsess)

• Kondensaatorid saab asendada lühisega, sest juhtivus läheneb lõpmatusele.

• Induktorid saab asendada tühisega, sest takistus läheneb lõpmatusele.

Sageduskarakteristikud (äärmused)

Page 43: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Ülekanne detsibellides

Selleks et leida ülekannet detsibellides tuleb:

1. Leida ülekandefunktsioon ja sellest moodul

2. Detsibellide leidmiseks võtta sellest kümnendlogaritm ja korrutada 20ga

Jäta meelde:

RC või RL ahela pinge- või vooluülekanne ei saa olla suurem kui 1

(suurem,kui 0dB), Samuti ka ainult resistoridest koosneval ahelal.

LC ahela pinge- või vooluülekanne on resonantssagedusel ja selle

läheduses suurem kui 1 , Samas muudel juhtudel on ühest väiksem

või võrdne sellega.

Page 44: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Ülekanne detsibellides, näide 1

L

+

–R V

+

R=600Ω

L=300mH

=2krad/s

Kõigepealt leiame ülekande-

funktsiooni. Vool, mis väljub

pingeallikast läbib nii induktorit

kui ka resistori ja avaldub:

I=V/Z , kus Z on induktori ja

resistori kogutakistus, ehk

Z=R+jωL. Pinge , mis tekib

resistorile avaldub sellest voolust

Vr=I*R . Asendades voolu, saame, et

Vr/V=R/(R+jωL) , ehk K=R

R+jωL. Kuna pingeülekandes huvitab meid

amplituud , siis tuleb leida ülekande moodul. Kuna nimetajas on vektorid omavahel

risti, siis nende summa on ruutjuur,takistuste ruutude summast.

Et leida ülekannet detsibellides tuleb tulemusest võtta

kümnendlogaritm ja korrutada 20ga.Kv=20log (

R

R2+(ωL)2

)

Page 45: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Ülekanne detsibellides, näide 1

L

+

–R V

+

R=600Ω

L=300mH

=2krad/s

Kv=20log (R

R2+(ωL)2

)

Paneme arvud asemele ja saame, et

Kv=20log (600

6002+6002

) =20log(0.707)=-3dB

Page 46: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Ülekanne detsibellides, näide 2

L

+

–C V

+

C=1nF

L=400mH

=49krad/s

Paneme arvud asemele ja saame, et

Kv=20log 1

1-490002*400*10-3*1*10-9=20log(1/0.0396)=20log(25)=27.9dB

Selle sidu ülekanne avaldub:

K=1/j ωC

jωL+1/jωC=

=1

j (ωL-1/ωC) * jC=

1

1- 2LC

j*j=-1 1/j=-j

(absoluutväärtuse märgid on seepärast, et tuleb leida moodul , mis avaldub:

Re2+Im2 , kuid imaginaarosa sel juhul taandus välja.)

Page 47: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Filtrid

• Eesmärk -eraldada signaalist teatud sagedusega komponente

• Ehk teisendada signaali teatud reeglite järgi

• Levinum on sageduslik filteerimine – kanda sisendist väljundisse

soovitud sagedused, pidurdades muude sageduste läbipääsu

• Smas meedias erinevate signaalide samaaegne ülekandmise

põhiliseks realisatsiooniks on signaalide spektri transformeerimine

kandesageduse ümbrusse . Vastuvõtja peab eraldama

vastuvõetud signaalide kogumist sobiva sagedusvahemiku .

• Põhimõtteliselt ei ole võimalik ehitada ideaalset filtrit

• Mida parem filter , seda suurem on hilistumine.

Page 48: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Madalpääsfilter

Kõrgpääsfilter

Lihtsaimad RC passiivfiltri realisatsioonid

Filtrid

Võimaldavad muuta signaaliülekande sageduskarakteristikuid

Piltidel on amplituudsageduskarakteristikud

Olemas on ka faasisageduskarakteristikud

𝑓𝐶=1

2𝜋𝑅𝐶

𝑓𝐶=1

2𝜋𝑅𝐶

Pääsuala

PääsualaSiirdeala

Siirdeala Tõkkeala

Tõkkeala

fc

fc

Sagedus

Sagedus

Am

plit

uud

Am

plit

uud

fc – murdesagedus (lõikesagedus)

+R C

v +

–+

i

+R

Cv +

+

i

Page 49: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Filtrid

Ribafilter

• Pääsufilter

• Tõkkefilter

Disainitakse madal ja kõrgpääsfiltritest (lihtsamad näited)

Pääsuala

PääsualaPääsualaTõkkeala

TõkkealaTõkkeala

K

Kf

f

Kesksagedus

Page 50: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Filtrid (näide - tämbriregulaator)

• Kasutusel olmeelektroonikas

• Olemuselt muudetava murdesagedusega filter.

Peter Baxandall’i skeem (1950)

http://www.learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers42.php

Page 51: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

Filtrid (näide – kõrgemat järku)

• 5. järku madalpääsfilter

• Arvutused on keerukad, tänapäeval kasutatakse simulaatoreid.

• Kõrgemat järku filtrid on hädavajalikud sidetehnikas

Page 52: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

55

Resonants on nähtus, mille puhul energia vahetab asukohta

(kahe elemendi vahel) ja see energiahulk ületab tunduvalt

seda energiavahetust, mis toimub ümbruskonnaga.

V

ICIL

I

L

C

II

II

ICIL

I

Resonants

Page 53: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

56

Selleks peab olema:

VLj

IVCjI LC ==

1

( )22

2

11

11

sSssLC

LC

VLj

LCV

LjCjI

==

+−

=

+=

Kui sagedus on võrdne resonantssagedusega,

siis väline vool on null!

Resonantsitingimus

IC

IL

I

Page 54: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

57

Resonantsi puhul vahetab energia sellises võnkeringis

perioodiliselt kohta ja iseloomu: kondensaatoris on

energia elektriväljas, induktoris – magnetväljas.

Kummaski elemendis pole kadusid – energia säilub.

See on paralleelresonants; (vooluresonants)

jadaühendusekorral tekibjadaresonants(pingeresonants)

Resonants

Page 55: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

58

Reaalselt on lisaks L ja C-le ka takisti, mis energiat

kulutab:

IG

IC ILIG

IC

V

ILI

( )11

12 ++

=

++

=sLGLCs

sL

sLGsC

sZ

Reaalne resonants

Teist järku ülekanne !

Page 56: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

59

C

L=

( )

C

LGj

C

G

C

LG

C

G

LCLC

LG

C

G

LC

LCLGLG

41

242

1

222

4

222

2

22

−−=−−=

=−

−=

−−

GC

LG

LC

LC

C

G

C

G

2

1

222===

Karakteristlik takistus

Võnkeringi poolused

Page 57: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

60

Hüvetegur

R

GQ ==

1

11

11

2

2

22 ++

=++=++

s

Q

sGs

ssLGLCs

Poolused imaginaarteljel: Q=

Hüvetegur – ideaalsuse näitaja

Hüvetegur

Page 58: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

61

Resonantsi puhul on poolused kompleksed ja

imaginaartelje lähedal – sageduskarakteristik näitabki

suuri amplituudi väärtusi.

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5

Amplituudsageduskarakteristik

Page 59: ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKAisc.ttu.ee/materials/martin/ATR0110/Analoog-ja-digitehnika2020-2.pdfTeemad Ajalised- ning sageduskarakteristikud •RC siirdeprotsess (LR siirdeprotsess)

62

L Cs R

Cp

L=10.485kH

Cs=2.25fF

R=70kΩ

Cp=10pF

( )kHzs

Mrad

LC

Gf

k

C

L

768.32205.01

16.225.2

485.10

===

===

Hzdf

k

G

RQ

130860

32768

3086070

16.2

=

=

==

215

Kvartsresonaator