2019年2月2日 星期六

類比與數位電路概念 / 數位電路設計初體驗:三人搶答系統(初階版)

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電子電路設計主要分為類比電路(Analog Circuit)和數位電路(Digital Circuit)。類比電路又稱模擬電路,主要處理連續性時間信號。連續信號存在大自然中,例如聲音、光、溫度、色彩等,正弦波就是當中最具代表性的連續信號。類比電路涉及的電子元件包括電晶體,與及一些被動元件如電阻、電容等,一般作放大、濾波等實際應用。例如麥克風將聲音強弱轉換成電壓高低,隨著輸入聲音逐漸增強或變弱,電壓亦隨之有連續性變化。

連續信號的例子:正弦波

數位電路又稱為邏輯電路。它的世界則較為單純,只需處理「0」與「1」這兩種信號,亦即代表某時間段為高電壓或低電壓狀態,非常分明。方波和脈波就是非連續性信號的代表(現只是假設方波或脈波當由「0」變「1」或「1」變「0」時速度極高甚或沒有時間延遲)。構成數位電路一般需使用不同種類的邏輯   IC,要說明的是這些邏輯   IC 的內部其實是由許多不同電晶體、場效應管等組成電路,但由於   IC 內部運作及結構較為複雜,我們只需了解訊號的輸入和輸出的邏輯關係,亦即如前所述的「0」和「1」。電腦就是處理數位訊號的電子產品最佳例子,一般以低電壓(0V)代表低位準 =「0」,以高電壓(典型為   3V3 或   5V)代表高位準 =「1」,作二進制運算。

非連續性信號的例子:方波

設計類比電路相較數位電路更有挑戰性,效果並非可完全控制。以電晶體放大電路為例,輸入電流並非一定依比例增大或減少,當電晶體進入飽和區或靠近截止區時,輸出信號會出現非線性失真,這時需要一定技術解決,增加整體電路的複雜度。數位電路較不受雜訊干擾,然而若需要將處理後的數位信號轉成類比信號輸出,因解析度所限,信號常出現鋸齒狀,結果還原質素稍遜尤以初期產品為甚。但近年數位   IC 發展極快,解析度高、速度高比比皆是,還原質素漸入佳境;數碼相機、音响等就是最佳例証。有見於數位電路逐漸普及應用,筆者亦將向各位舉出一些數位電路的日常應用,希望令初學人士對電路設計產生興趣,打下基礎後繼續向更高層次的技述探究。

為方便討論,筆者先假設各位對電學有基本認識,例如歐姆定律、電阻、電容等元件的簡單運用。此外,亦假設各位對構成數位電路的三個基本邏輯元件:AND、OR 和   NOT 閘的輸入和對應的輸出狀態,有基本概念。現在先重溫這三個邏輯元件的特性。

邏輯元件快速重溫

AND 元件是當兩個輸入   A 和   B 同時為高電壓(慣常以「1」或「H」表示)時,輸出   Q 才會為高電壓,否則輸出為低電壓(慣常以「0」或「L」表示)。我們可利用兩個開關串聯,模擬   AND 電路,當兩個開關同時閉合,才有電流通過   LED,使其亮著。

OR 元件是當兩個輸入   A 和   B 其中一個為高電壓,輸出   Q 即為高電壓。將兩個開關並聯,模擬   OR 電路,則當其中一個開關閉合,均有電流通過   LED,使其亮著。

NOT 元件將輸入   X 反相,當輸入為高電壓,輸出   Y 為低電壓。用開關模擬   NOT 電路,將一個開關與   LED 並聯。關關不閉合時,電流通過   LED,使其亮著。但是當開關閉合,大量電流通過開關,LED 不會亮著。

其他邏輯元件如   NAND、NOR,exclusive OR 可以由以上基本的元件組成,在此省略。


數位電路設計:三人搶答系統(初階版)
設現在有一個搶答遊戲,我們需為此設計簡單的搶答系統。遊戲有三名參賽者,各人面前有一個按鈕,連接著旁邊代表他的燈泡。當遊戲主持人發問問題後,參賽者鬥快按下搶答按鈕並且一直不放。第一位按下按鈕的參賽者,其燈泡亮起。此後即使其他參賽者按下自己的按鈕,代表他的燈泡不會亮著。主持人便藉此知道那一位有回答權。直到所有參賽者放開按鈕,便可進行第二次搶答。換句話說,在任何時間裡三顆燈泡只能最多有一顆亮著。

電路設計方法五花百門,最基本要求是能正確執行、設計力求簡潔和節省成本。大家不妨花點時間思考如何製作,下回筆者與大家分享參考電路和進行分析。

2018年11月7日 星期三

香港業餘無線電考試回顧系列之五:真正香港試題


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筆者收到考試成績通知單,印上令人振奮的兩個字。

開始正文前,先讓筆者報喜。在 11 月 7 日,即考試後的第 13 個工作天,筆者收到考試成績通知單,考試結果是很亮眼的兩個字「合格」。下一步將選擇呼號、申請證書和牌照,正式踏上火腿之路。

以下是筆者應考   HKRAE 的試題內容。自問沒有神級記憶力,不能把   100 條問題一字不漏地背寫出來,只好盡力而為,回憶近八成題目,部分連可供選擇的答案(非按次序)。筆者再稍加整理,將題目按考試範圍歸類,但在考試時題目是任意編排的。某些問題字眼和數字非百分百相同,但意思相近。另外有部分題目在腦海印象較迷糊,便改為寫出相關的考試範圍。

如當日考試的考生看到本文,敬希指正筆者的錯漏之處,並歡迎補足其餘題目,盡量還原試題。

衷心希望這些資料可幫助大家更為了解考試方式和出題方向,祝各位考試順利!



規則及牌照條件
  1. 為安全起見,輻射電場強度為 61V/m 的射頻頻率使用的限值為多少?
  2. 通訊事務管理局(管理局)有權公開業餘無線電持牌人的姓名/名稱和地址,而無須事先徵求持牌人的同意。如持牌人不欲其姓名/名稱和地址被公開,應在發牌日起多少天內致函通知管理局,以便管理局考慮?
  3. 業餘無線電持牌人在牌照期滿或撒消後需在多少天內將有關的牌照、牌照複本或證明標紙一併退還通訊辦?
  4. 以下哪個頻率並非劃分作業餘和衛星業務的主要用途?
(1)   24,000 – 24,250 MHz
(2)   47,000 – 47,200 MHz
(3)   76,000 – 77,500 MHz
(4)   77,500 – 78,000 MHz

  1. 無線電頻帶   14.25 –14.35MHz 的最大載波功率(dbW)是多少?
  2. 以下哪個國家屬於國際電信聯盟所劃分的第三區?(香港為其中一個答案選擇。)
  3. 業餘無線電持牌人可在下例哪個頻率收發?
  4. 根據《電訊條例》(該條例)第   9 條,任何人士如欲將任何無線電發射設備輸入香港,須先向哪個部門申領入口許可證, 除非該人持有適當牌照( 例如無線電商(放寬限制) 牌照)?
  5. 業餘無線電持牌人希望在車輛上裝置業餘無線電設備,可以怎樣做?
  6. 業餘無線電持牌人在船隻裝有業餘無線電設備。當船隻處於外國境內,需遵守什應守則?
  7. 申請社團業餘無線電牌照需符合哪些條件?(答案可選多項。)
A.      該社團為香港合法的註冊社團
B.      社團人數超過 25 人
C.      社團的業餘電台監督人必須持有有效的業餘電台牌照及/或操作授權證明(授權證明)
D.     (忘記)

  1. 電視和脈衝訊號只限於什麼頻率以上發射?
  2. 在國際無線電規則中,發射類別之基本特性共有三個符號,第三個符號特性是什麼?
  3. 電台在收到緊急通訊時要採取的行動是什麼?

干擾
  1. 下圖是哪種濾波器?
     
(1)   低通濾港器
(2)   高通濾波器
(3)   帶通濾波器
(4)   帶阻濾波器

  1. 電路中的雜訊不可以透過下列哪種方法去除?

操作程序和守則
  1. 長時間使用電台時,需相隔多少分鐘重覆電台呼號?
  2. 業餘無線電持牌人必需保存最近的電台通訊紀錄最少多久?
  3. 約定轉換頻率的   Q 簡語是什麼?
  4. 以下哪個電臺會把無線電訊號自動轉接?
(1) 中繼電臺
(2) 地球電臺
(3) 示標電臺
(4) 遙控電臺

電學
  1. 電源供應器中的出血電阻(Bleeder Resistor)起什麼安全作用?
  2. 以下哪個符號代表發光二極體?
  3. 一正弦波電壓的有效值為   xx 伏特,計算峰—峰值。
  4. 一正弦波波峰為 xx 伏特,計算有效值。
  5. 把   4 個   10Ω 電阻並聯後的電阻值是多少?
  6. 把兩個 10Ω 電阻串聯,再接上 12V 電壓,每個電阻的功率是多少?
  7. (題目附電路圖)一電流錶和電阻   R 串聯。電流錶內阻   xx Ω,流過電流   50µA 時指針達滿度。外接電池   12V,R 是多少時才令電流錶指針達滿度?
  8. 在電阻(阻值   xx Ω)、電感(感量   xx H)、電容(xx F)串聯的電路中,當電流值最大時,輸出的訊號頻率是多少?
  9. 電池內阻   0.2Ω,外接哪電阻值可獲取最大功率輸出?
  10. 以下哪個波形只有基本頻率,而沒有諧波成份?
(1)   方波
(2)   正弦波
(3)   三角波
(4)   鋸齒波

固態元件
  1. 圖中是什麼元件的符號?
    
  1. 由   P-N 接面而成的是什麼元件?
  2. P 型半導體的多數載子是什麼?
  3. 以下哪個電晶體功率放大器失真最小的?
(1)   A 類
(2)   B 類
(3)   C 類
(4)   AB 類

  1. (另一條關於功率放大器的題目,題目內容已忘。)
  2. 計算下圖電感值 L。(電路圖非原全正確,僅供參考。)
        

邏輯電路
  1. 下面哪個是或非門的真值表?
  2. 求下圖之輸出布林函數。
       

接收機和發射機
  1. 下列哪個接收機效果最好?(從   4 個不同靈敏度和訊噪比數值的接收機規格選出答案。)
  2. 超外差接收機的中頻是   10.7MHz,如果要接以   98.6MHz 訊號時,計算其鏡象干擾頻率。
  3. (另一條關於超外差接收機的的題目,題目內容已忘。)
  4. 提供接收的訊號頻率和中頻,計算超外差的本地振盪頻率。
  5. 提供一載波頻率和上下頻段,計算頻寬。
  6. 接收機中頻的變頻器的作用是什麼?
  7. 某以發同頻之業餘無線電台,當操作者按下發話開關(PTT)後會出現之狀態為何?
  8. FM 頻率   10MHz,偏移 ±5kHz,兩倍頻後信號是多少?
  9. 輸入   1V,噪音   1mV,訊噪比是多少?
  10. 若將   1W 之射頻載波,經   100% 調輻後,所得調輻波總功率是多少?
  11. 以下哪個訊號經解調後的音頻最高?
(1)
               
(2)
               
(3)
               
(4)
               

  1. 下圖的   AM 調製幅度是多少?
       
  1. 在鎖相環   PLL 頻率合成電路中,如果參考頻率是10Hz,而程編分頻系數是   315 000,則合成頻率是多少?

傳播和天線
  1. 業餘無線電操作者可使用什麼天線?(答案可選多項。)
  2. 以下哪個不是八木天線的元件?
(1)   引向器
(2)   反射器
(3)   激勵器
(4)   發射器

  1. 以同一功率和天線增益發射信號,哪一個波段覆蓋範圍最大?
(1)   中波
(2)   短波
(3)   超短波
(4)   微波

  1. 以下哪種情況不會影響電離層密度?
(1)   月球引力
(2)   陽光
(3)   季節
(4)   溫度

  1. 從天線輻射圖,找出大約的輻射束闊度。
       
  1. 以下哪個是   SSB 比   AM 調幅的優勢?
  2. 為什麼測試無線電發射機前要接上仿真天線?
  3. 傳送視線傳播的訊號使用何種極化天線?
  4. VHF 頻率的波段範圍是多少?
  5. 電場強度與距離的關係。
  6. 光波速度是多少?
  7. xx MHz 即是 xx GHz?
  8. 以   6 米長半波偶極天線所傳送的訊號頻率是多少?
  9. 何謂橢圓極化波?
  10. 電磁波在空間傳播的方式為何?
  11. 中波多數被哪一層電離層吸收?
  12. 導致電離   E 層能夠反射   VHF 到遠處的原因是什麼?
  13. 天線操作正常,突然收到很高電壓的訊號,要採取什麼行動?
(1) 降低發射頻率
(2) 更換至同軸電纜
(3) (忘記)
(4) 以上皆錯

  1. 以下哪個是地面廣播的頻段?(類近意思,答案可選多項。)
  2. 八木天線的增益比半波偶極天線多   3dB。接至發射功率 1W,問最大輻射功率是多少?
  3. (另一條題目與上題相近,內容已忘。)

量度
  1. 以下哪個是使用示波器時應要有的良好習慣?
  2. 良好的安培計應有什麼設計?(低內阻是其中可供選擇的答案。)
  3. 良好的電壓計應有什麼設計?(高內阻是其中可供選擇的答案。)
  4. 以下哪一種儀器可測試諧振頻率?
(1)   栅陷振盪器
(2)   Q 表
(3)   (忘記)
(4)   (忘記)

  1. 數位信號可以用下列哪種儀器檢視?
(1)   示波器
(2)   頻譜分析儀
(3)   (忘記)
(4)   (忘記)

  1. 以下哪個是製作仿真天線的較適合材料?
(1)   線繞電阻
(2)   碳膜電阻
(3)   金屬膜電阻
(4)   合成碳膜

業餘服務種類的基本知識
  1. 何謂封包通訊?
  2. 下列哪個是造成低軌衛星的下鏈頻率變動數   kHz 的原因?
(1)   刻普勒效應
(2)   伯努利效應
(3)   愛因斯坦效應
(4)   都普勒效應

冬天裡的靜電 Static electricity in the winter

冬天天氣乾燥 ,當身體接近金屬物體,例如門鎖、水龍頭等,會產生微細「啪」的聲響,更甚在黑暗的環境中會看見閃光,皮膚亦會感到 輕微刺痛 ,雖然一般不會對身體構成危害,但亦令人感到困擾。這種現象的成因是 身體與衣服相互磨擦而積聚過多電荷(靜電),又因天氣乾燥,身體的電荷不能通過空...