200106_СДФ1_ПрИС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К Г Э У

УТВЕРЖДАЮ Проректор по УМР

В.А. Дыганов

«____» ____________ 200__ г.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

______СД.Ф.01. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ________

________________________________________________________________________

____________________________________________________________________

(указывается индекс и наименование дисциплины согласно учебному плану в соответствии с ГОС ВПО)

по направлению подготовки:

______200100______Приборостроение_____________________________________

(указывается код и наименование)

специальности:

______200100.65___Информационно-измерительная техника и технологии______

форма обучения ____очная____________

(очная, очно-заочная, заочная)

Состав программы учебной дисциплины

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

Дисциплина «Преобразование измерительных сигналов» является одной из базовых дисциплин при подготовке специалистов по направлению (специальности) 200100.65 «Информационно-измерительная техника и технологии», служит общей инженерно-технической подготовке студентов и создает теоретическую базу для изучения последующих специальных дисциплин, связанных с разработкой инфор- мационно-измерительной техники. Целью дисциплины является изучение роли электрических сигналов в передаче измерительной информации, детального изучения и математического описания преобразований сигналов в электрических цепях информационно-измерительных систем.

2. Требования к уровню освоения дисциплины

Знания.

Роль измерительных сигналов в проектировании и расчете приборов, устройств и узлов информационно-измерительных систем; виды и типы измерительных сигналов; математический аппарат для описания сигналов; ряды Фурье и преобразование Фурье, свойства преобразования Фурье; спектры основных типов сигналов; динамическое представление сигналов; назначение и виды модуляции сигналов; классификация и характеристика электрических цепей; математическое описание линейных электрических систем; характеристики нелинейных и параметрических электрических систем;

Умения.

Владение методами, информационными технологиями и компьютерными системами проектирования и исследования электрических узлов и блоков информационно-измерительных систем. Аналитическое описание периодических сигналов; расчет спектра произвольного сигнала; восстановление сигнала по конечному ряду Фурье; использование спектрального (частотно-временного) подхода при анализе цепей измерительных систем; проведение синтеза и расчет параметров частотно-избирательных систем: фильтров нижних частот, фильтров верхних частот, полосовых фильтров и заградительных фильтров.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Примечание: В графах 2, 3, 4, 5, 6, 7 через дробь от общего количества часов указываются часы, отводимые на занятия с использованием персональных компьютеров.

4.Содержание дисциплины.

4.1.Разделы дисциплины и виды занятий.

Примечание: Все лабораторные и практические занятия проводятся с использованием персо- нальных компьютеров.

4.2. Содержание разделов дисциплины.

Раздел 1

Информация, сигналы и ИИС. Измерительные сигналы.

Информация, сигналы и информационно-измерительные системы. Информация, сообщение, сигналы. Детерминированные и случайные сигналы. Полезные сигналы и помехи (шумы). Непрерывные и импульсные сигналы. Дискретизация непрерывных сигналов. Аналоговые и цифровые (кодированные) сигналы.

Раздел 2

Спектральное представление сигналов.

Разложение сигналов по различным базисам. Ряд Фурье. Понятие спектра сигнала. Восстановление сигнала по конечному ряду Фурье (синтез сигнала). Эффект Гиббса. Комплексный ряд Фурье. Преобразование Фурье. Свойства преобразования Фурье. Спектральная функция и спектральная плотность. Спектр периодического сигнала и одиночного импульса. Спектры основных типов сигналов. Спектр белого шума. Преобразование Лапласа.

Раздел 3

Модуляция сигналов.

Модуляция гармонических сигналов. Виды модуляции и их применение в измерительной технике. Амплитудная модуляция (АМ) и спектр АМ сигналов. Частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ) модуляция и спектр ЧМ/ФМ сигналов. Узкополосные сигналы. Помехозащищенность модулированных сигналов. Аппаратная реализация задачи синтеза сигнала. Динамическое представление сигналов. Функция единичного скачка и дельта функция.

Раздел 4

Сигналы и электрические цепи.

Понятие четырехполюсника. Классификация электрических цепей. Линейные, нелинейные и параметрические цепи. Основные характеристики четырехполюсников. Амплитудная характеристика. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики (АЧХ и ФЧХ).

Раздел 5

Преобразование измерительных сигналов в электрических цепях

Преобразование сигналов линейными и нелинейными цепями. Прохождение детерминированных сигналов через линейные стационарные системы. Импульсные, передаточные и частотные характеристики линейных стационарных систем. Прохождение сигналов через линейные частотно-избирательные системы (линейные фильтры). Структуры фильтров, выбор фильтров в зависимости от измерительной задачи и методы их расчета. Фильтры верхних частот, фильтры нижних частот. Полосовые фильтры. Заградительные фильтры.

Раздел 6

Преобразование сигналов в нелинейных электрических цепях

Прохождение сигналов через нелинейные и параметрические цепи. Назначение нелинейных и параметрических цепей. Применение нелинейных систем для целей модуляции/демодуляции сигналов. Дискретизация и восстановление сигналов. Математическое описание цифровых последовательностей и их преобразований. Проектирование и реализация цифровых фильтров. Дискретное преобразование Фурье и другие методы анализа сигналов. Частотно-временной анализ.

6. Лабораторные работы.

Примечание: Все лабораторные занятия проводятся с использованием с использованием персо- нальных компьютеров.

7. Тематика рефератов, расчетно-графических, курсовых, дипломных (проек- тов) работ.

Учебным планом предусмотрено выполнение студентами типового расчета (расчетного задания) на тему «Моделирование синтеза измерительного сигнала». Целью расчетного задания является получение навыков самостоятельного частотновременного анализа сигналов, проведения расчетов и моделирования измерительных процессов на основе знаний, полученных при изучении теоретического курса и выполнении лабораторных работ. В предлагаемом расчетном задании требуется дать математическое описание заданного периодического сигнала, получить аналитическое выражение спектра сигнала, разработать программу моделирования синтеза сигнала по конечному числу гармоник ряда Фурье с выводом результатов моделирования на экран монитора компьютера.

8. Организация самостоятельной работы студентов.

9.Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

Рекомендуемая литература (основная, дополнительная).

Основная литература

1.Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов (4-е издание). М.: Высшая школа. 2005.

2.Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для вузов (2-е издание). СПб.: Питер. 2007.

3.Стеценко О.А. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник.– М.: Высш.шк.,

2007.

Дополнительная литература

1.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics WorkBench и ее применение. М.: СОЛОН-Р, 2001.

2.Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс. Учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2005.

3.Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов. Учебное пособие для вузов. М.: Изд.центр "Академия", 2004.

4.Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. – М.: Высш.шк., 2005.

5.Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное посбие. М.: Горячая линия - Телеком, 2005.

6.Румянцев К.Е. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для среднего профессионального образования. М.: Изд.центр "Академия", 2005.

7.Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для среднего профессионального образования. М.: Изд.центр "Академия", 2003.

Средства обеспечения освоения дисциплины.

Для выполнения лабораторных и практических заданий имеется прикладной пакет моделирования электронной лаборатории Electronics Workbench 5.12, работающий под управлением операционной системы Windows. В качестве дополнительного программного обеспечения имеются пакет среды проектирования

приложений (визуальное программирование) Visual Basic 6.0, пакет табличного процессора Microsoft Excel 2003.

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины.

Лабораторные и практические занятия проводятся на кафедре ИИУС с использованием современных персональных компьютеров Pentium-IY с ЖКмониторами 17" (дисплейные классы в ауд. Г-314, ауд. Г-320, ауд. Г-321, ауд. Г-323).

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки

___200100 Приборостроение_________________________________

________________________________________________________________________

(указывается код и наименование)

Программу разработал:

_______________ ___________к. ф.-м. н., доцент Ишмуратов Р.А._______________

Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры

протокол №_____ от __________________ 200__ г.

Зав.кафедрой:

________________ _________к. т. н., профессор Мухутдинов А.Р.______________

«____» _________________ 200__ г.

Директор института:

________________ _________д. ф.-м. н., профессор Матухин В.Л.________________

«____» _________________ 200__ г.

РАЗДЕЛ 1. Информация, сигналы и ИИС. Измерительные сигналы.

ЛЕКЦИЯ 1

Введение.

Информация и измерение. Сообщение и сигналы.

Во всех случаях, когда мы что-либо измеряем, мы принимаем (получаем) информацию. При этом как правило из полученной (зарегистрированной) информации мы должны извлечь полезную информацию, т.е. преобразовать информацию.

Информация – это любые сведения, которые могут быть объектом следующих операций:

∙передача;

∙получение;

∙распределение;

∙преобразование;

∙хранение;

∙использование;

Форму представления информации называют сообщением. В письме сообщением является символ (знак); в устной речи – колебания звука; в телекоммуникации

– электромагнитные волны; в компьютерной технике – последовательность бит (0 или 1), представленных импульсами тока или напряжения и т.д..

Передача информации – это передача сообщений. При передаче сообщения всегда можно указать отправителя сообщения и получателя сообщения. Отправителя сообщения называют также источником сообщения или источником информации. В информационно-измерительной технике источником сообщения являются датчики. Информация, которая поступает с датчиков, как правило требует преобразования для извлечения полезной информации.

С понятиями информация, сообщение, измерение тесно связано понятие сиг- нала. Слово «сигнал» происходит от латинского слова «signum» (знак). Сигналом называют любую физическую величину, изменяющуюся во времени и содер- жащую информацию об определенном объекте. Сигналы используют для ото- бражения, регистрации и передачи сообщений.

Сигналы могут быть электрические, электромагнитные (ЭМ), акустические (звуковые, ультразвуковые), оптические (световые) и т.д. При измерениях все сигналы как правило стараются преобразовать в электрические сигналы поскольку их удобно преобразовывать (если дополнительно их привести в цифровой вид, то мож-