Bachelor's Thesis

Laboratory assignment with demonstration of discrete modulations

Final Thesis 32.25 MB Appendix 1.78 MB

Author of thesis: Filip Kokavec

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Radim Číž, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Pavel Šilhavý, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the simulation and construction of a set of prototype laboratory training kits designed to demonstrate unquantized discrete baseband modulations. The theoretical part analyzes the fundamental principles of PAM, PWM, and PPM modulations, describes the creation of functional simulation models within the Matlab-Simulink environment, and details the circuit design for the individual hardware modules. The devices themselves are implemented as three standalone, robust modules powered by a symmetrical ±12 V supply with integrated reverse-polarity protection. The hardware allows for switching between sampling frequencies (15 kHz, 50 kHz, and 100 kHz), selecting the type of sampling, and adjusting the specific duty cycle of the output pulses. The practical part is dedicated to the commissioning and comprehensive functionality verification of the actual physical modules. The output of the thesis is a methodology for a laboratory exercise, including its model solution and sample report.

Keywords:

Pulse modulations, Pulse Amplitude Modulation, Pulse Width Modulation, Pulse Position Modulation, AVR128DB28, A/D converter, D/A converter

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci s výhradami a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: Na chybu v zapojení OZ LM318 na obr.1.16 jste jistě přišel při oživování. Proč jste poté neopravil schéma zapojení a DPS v dokumentaci v textu BP? Zvažoval jste přípravek PAM realizovat analogově bez mikrokontroleru se vzorkovacím zesilovačem Sample&Hold? Jaké by toto alternativní řešení mělo výhody a nevýhody oproti Vámi realizovanému? Co řídí střídu u PPM přípravku? Čím je dána perioda výsledného signálu?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Audio Engineering (BPC-AUD)

Specialization

Audio Production and Recording (AUDB-ZVUK)

Composition of Committee

Ing.MgA. Edgar Mojdl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. David Kubánek, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Kovanda (člen)
Ing. Jiří Přinosil, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)

Supervisor’s report
Ing. Radim Číž, Ph.D.

Student měl navrhnout sadu přípravků a demonstrační modely použitelné pro názorné vysvětlení principů a vlastností nekvantovaných diskrétních modulací v základním pásmu, konkrétně PAM, PWM a PPM. K vypracování tohoto úkolu student přistupoval zodpovědně a svou práci se mnou často konzultoval, ale při samotném návrhu řešení nebyl příliš samostatný ani iniciativní. Často nekriticky převzal první nápad, který zazněl při naší konzultaci, aniž by se snažil zamyslet, jestli při jeho realizaci nevzniknou nějaké obtíže. To vedlo například k tomu, že první zkonstruovaná verze přípravků měla tolik chyb, že byla prakticky nepoužitelná. Student tím ztratil spoustu času, musel začít znovu se zcela novým návrhem, jehož dílčí části si již před realizací simuloval v programu LTSpice. Student také nebyl moc pečlivý při tvorbě demonstračních modelů v prostředí Matlab-Simulink. Napočítal jsem celkem 9 verzí modelů, které jsem od studenta obdržel, zkontroloval a napsal mu, co je v nich špatně nebo co by bylo možné vylepšit. Některé připomínky jsem bohužel musel zasílat opakovaně, neboť v následující verzi modelů některé chyby nebyly zcela odstraněny.
Přesto však na základě praktického předvedení zhotovených přípravků v laboratoři mohu konstatovat, že všechny jsou  funkční a splňují požadavky zadání. Jejich hardwarové řešení je na uspokojivé úrovni. Vyzdvihnout lze robustnost řešení, kdy student neopomenul ochrany proti přepólování napájecích vstupů a přepětí na signálových vstupech. Rovněž ovládání přípravků je intuitivní s potisky zobrazujícími principiální bloková schémata. Naopak méně kvalitní je výsledné dílenské zpracování přípravků a také text u ovládacích přepínačů modulátoru PAM je málo čitelný. Slabinou řešení přípravku s PAM modulátorem jsou nízká strmost a zákmity na hranách impulzů u uniformního vzorkování způsobené funkčními limity spínače 74HCT4066. Možná bylo vhodnější použít jiné řešení s rychlým vzorkovačem AD783 typu Sample & Hold, při kterém by odpadla i nutnost použití mikrokontroléru AVR128DB28 a externího D/A převodníku MCP4921. Určitou nevýhodu praktického využití přípravků v laboratorní výuce bude představovat občasná potřeba manuálního doladění přesných hodnot kmitočtů a střídy pomocí trimrů.
Z hlediska formální úpravy práci téměř nelze nic vytknout. Obsahuje všechny náležité části, kapitoly na sebe logicky navazují, v přílohách obsahuje podrobnou výrobní dokumentaci přípravků, navrženou laboratorní úlohu včetně jejího vzorového vypracování a také požadované soubory s plně funkčními modely vytvořenými v prostředí Matlab-Simulink. V seznamech součástek na str. 97 a 98 však chybí díly, které nejsou umístěny na samotných deskách plošných spojů, jako jsou použité zdířky, přepínače, plastové krabičky apod. Za „kosmetickou“ vadu lze také považovat vkládání snímků z osciloskopu s černým pozadím; tyto záznamy by byly čitelnější, kdyby měly invertované barvy (bílé pozadí a modré průběhy) a byly větší. Rovněž působí rušivě dvojí číslování stránek v části přílohy s laboratorní úlohou (viz str. 65 až 83). Text práce je srozumitelný a odborně korektní, ale je zde patrné pronikání českých tvarů do slovenského textu (např. „blokové schéma“ namísto „bloková schéma“, „zkonstruovať“ namísto „skonštruovať“, „demonstračných“ namísto „demonštračných“). Vzhledem k výše uvedeným připomínkám hodnotím tuto bakalářskou práci 68 body, což odpovídá známce D. Points proposed by supervisor: 68

Grade proposed by supervisor: D

Student vytvořil v prostředí Matlab-Simulink demonstrační modely PAM, PWM a PPM, které jsou dle mého funkční. Bylo by však vhodné, aby v práci rovněž uvedl, ve které verzi byly vytvořeny a které toolboxy vyžadují. Poté navrhl a vyrobil trojici přípravků pro výše uvedené modulace. Zatímco přípravky pro PWM a PPM jsou realizovány z diskrétních součástek a jednoúčelových integrovaných obvodů, pro PAM zvolil mikrokontroler. Tento přístup mi nepřipadá příliš vhodný a očekával bych buď i PAM realizovat bez mikrokontroleru či navrhnout do značné míry unifikované řešení s mikrokontrolerem, které by obsáhlo všechny požadované typy. Přípravky pro PWM a PPM obsahují generátor pilovitého průběhu s oblíbeným obvodem 555, kde je nabíjen kondenzátor, viz obr. 1.14. Za ním je připojen napěťový sledovač s OZ LM318, viz obr.1.16. Ač v textu je zapojení správně popsáno, na obrázku má OZ přehozeny vstupy. Stejná chyba je i v celkovém schématu na str. 84 a patrně i na DPS. Přípravek pro PAM využívá mikrokontroler a D/A převodník, kdy pro přirozené vzorkování PAM-N generuje mikrokontroler pouze řídící pulsy pro analogový spínač 4066, viz obr. 1.26 a pro uniformní vzorkování PAM-F navíc s využitím D/A převodníku realizuje obvod Sample&Hold. Toto řešení však vede ke zpoždění PAM-N signálu oproti původnímu, jak může být vidět na obr. 2.13 a 2.14 na str. 56 a 57. S ohledem na výukovou aplikace by bylo vhodnější využít analogový obvod Sample&Hold, kde by ke zpoždění nedocházelo. Funkčnost realizovaných přípravků mi student demonstroval, a tak mohu konstatovat, že jsou funkční. Negativně ve formě zákmitů se jen projevují vlastnosti analogového spínače 4066, kde by bylo vhodné zvolit jiný obvod s lepšími vlastnostmi. Navržené řešení zahrnuje rovněž velké množství odporových trimrů a vyžaduje tak po sestavení kalibraci.  Text práce má 97 stran a zahrnuje dle mého názoru všechny požadované části. Velmi podrobně je popsán návrh a realizace řešení přípravků. Zahrnuje i část věnovanou oživování přípravku a výsledky měření. Student rovněž vytvořil i požadovaný protokol měření a jeho vzorové vypracování. Práce je psána ve slovenském jazyce, ale občas se zde vyskytují výrazy, které nejsou správně slovensky, např. zkonstruovať - skonštruovať, Blokové schéma - Bloková schéma, opozdenie - oneskorenie a několik pravopisných chyb. Přes uvedené nedostatky a zejména z mého pohledu nevhodnost realizace obvodu S&H pro PAM-F s využitím mikrokontroleru a D/A převodníku považuji práci za zdařilou a splňující požadavky zadání a hodnotím ji jako dobrou. Topics for thesis defence:
  1. Na chybu v zapojení OZ LM318 na obr.1.16 jste jistě přišel při oživování. Proč jste poté neopravil schéma zapojení a DPS v dokumentaci v textu BP?
  2. Zvažoval jste přípravek PAM realizovat analogově bez mikrokontroleru se vzorkovacím zesilovačem Sample&Hold? Jaké by toto alternativní řešení mělo výhody a nevýhody oproti Vámi realizovanému?
Points proposed by reviewer: 70

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová