Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
модуляцією носійного коливання. Радіосигнали випромінюються у відкритий простір у вигляді електромагнітних хвиль i забезпечують багатоканальну передачу інформації по проводах, хвилеводах, оптичних лініях зв’язку, а також поліпшують якість оброблення сигналів в електричних колах, підвищуючи ї завадозахищеність. Будь-які сигнали, що заважають обробленню тих сигналів, в яких міститься потрібна споживачеві інформація, називаються завадами. Завади під час оброблення електричних сигналів можуть виникати з двох причин. По-перше, це внутрішні завади, джерелами яких е тепловий та флуктуаційний рух носіїв електричних зарядів у провідниках, а також струми, наведені від сусідніх потужних сторонніх джерел (наприклад від мережі живлення, потужних підсилювачів). Подруге існує багато завад зовнішнього відносно радіоелектронного пристрою походження. Це побутова електронна апаратура, електротранспорт, атмосферні розряди, космічне випромінювання, промислові завади i, нарешті, сигнали сусідніх радіостанцій при недостатній вибірності радіоприймача. Боротьба з завадами, підвищення якості сигналів, що несуть корисну інформацію на фоні Діючих завад, є однією з актуальних проблем сучасного оброблення електричних сигналів, оскільки завади спотворюють інформацію, а той навіть унеможливлюють її оброблення. Одним з ефективних способів підвищення завадозахищеності, крім деяких видів модуляції, є перехід від аналогових до цифрових сигналів. Природа більшості фізичних величин (тиск, температура, освітленість тощо) така, що вони можуть набувати будь-яких значень у певному діапазоні. В цьому разі сигнал на виході первинного перетворювача (мікрофон, термопара, фотодіод) за будь-який проміжок часу може мати нескінченну кількість значень. Цей неперервний сигнал змінюється аналогічно зміні інформації, яку він відтворює, тому його називають аналоговим. Типовим прикладом аналогового сигналу е напруга на виході мікрофона. Під дією джерела звуку змінюється тиск повітря на мембрану, яка прогинається i сприяє створенню деякої напруги на кінцях звукової котушки. Зміна цієї напруги за амплітудою та частотою аналогічна зміні звукового тиску. Такі сигнали й досі використовують у системах радіомовлення, але аналогові сигнали найбільш завадонезахищені. З цієї та деяких інших причин поряд з аналоговими все частіше застосовують дискретні цифрові сигнали. Найпростішою формою цифрового сигналу є комбінація двох дискретних станів (наприклад, наявність i відсутність струму, напруги, випромінювання). Їм у відповідність можна поставити двійковий, або бінарний, код. Скажімо, наявність сигналу можна позначити символом 1, а відсутність — 0. При цьому кількісна мірa, що характеризує цей сигнал (сила струму, освітленість) такого значення не має. Такі дискретні цифрові сигнали дуже зручні в багатьох відношеннях. Основною ix перевагою перед іншими сигналами є здатність до регенерування, тобто до відновлення форми сигналу, спотвореного завадами. Це забезпечує дуже високу завадозахищеність ліній зв’язку i високу якість передачі інформації. До того ж із наперед заданою точністю аналогові сигнали легко перетворюються на цифрові, а цифрові на аналогові (див. п. і. Передана сигналом інформація корисна лише тоді, коли вона несе щось нове, невідоме, несподіване, тобто для споживача інформації такий сигнал є випадковою функцією часу. Аналізувати властивості подібних сигналів, особливості ї проходження в електричних колах i радіоелектронних пристроях дуже складно. Тому для спрощення аналізу при настроюванні та регулюванні апаратури, а також для кращого унаочнення технічних процесів під час навчання реальні випадкові сигнали замінюють детермінованими штучними коливаннями. Останні задають заздалегідь певними функціями часу на нескінченній осі, які нової інформації нести не можуть, тобто вони, по суті, не є сигналами. Детерміновані коливання поділяють на періодичні та неперіодичні. Перші задають функцією , яка задовольняє умову на досить великому проміжку часу . Неперіодичні функції цю умову не задовольняють. Найпростішим детермінованим періодичним коливанням е гармонічне коливання, що описується функцією або функцією Такий сигнал називають неперервним коливанням i характеризують амплітудою , періодом i початковою фазою . Крім того, для аналізу властивостей електричних кіл використовують імпульсні періодичні коливання (ї називають також релаксаційними), які характеризують амплітудою , періодом i тривалістю прямокутного імпульсу . Математичне обґрунтування такого підходу полягає в тому, що згідно з теоремою Фур’є будь-яка періодична функція може бути розвинена вряд елементарних гармонічних функцій. В разі ж переходу до неперіодичних функцій кількість таких елементарних складових стає нескінченною. Тоді застосовують статистичний метод, в основу якого покладено закон розподілу ймовірностей та спектральний розподіл потужності сигналу. Для кращого унаочнення у навчанні використовують різні способи подання сигналів. Так, для математичного аналізу властивостей електричних кіл зручною є аналітична форма у вигляді математичних формул, для спостереження на екрані осцилографа — розгортка функції по координатах часу, для з’ясування питань фільтрації, граничних частот, смуги пропускання краще розглядати спектральні складові сигналу. іноді складні, наприклад, модульовані сигнали зручно розглядати за допомогою векторних діаграм. Однак будь-який із названих способів зосереджує нашу увагу лишена якихось одних властивостях та залежностях i є спрощеною моделлю реального сигналу. Реальні сигнали завжди відрізняються від своїх графічних та математичних моделей, атому переходити від моделі до реального об’єкта слід з урахуванням фізичних реалій. Властивості сигналів i передану за їх допомогою інформацію можна характеризувати кількісними параметрами Основним з них є ширина спектра Ширина спектра визначається як різниця між найвищою i найнижчою частотами спектра сигналу, які слід забезпечити для якісної передачі інформації. Наприклад, ширина спектра для телеграфних сигналів становить 75 Гц, для аналогової телефонії — Гц, а для телевізійного сигналу — близько 6 МГц. Ширина спектра обернено пропорційна швидкості зміни сигналу. Динамічний діапазон — це відношення максимальної миттєвої потужності сигналу до мінімальної, що забезпечує задану якість передачі інформації. Найчастіше динамічний діапазон виражають в логарифмічних одиницях — децибелах (дБ Наприклад, динамічний діапазон для мовлення становить 30...35 дБ, а для музики у виконанні симфонічного оркестру — 70...80 дБ. Проміжок часу, протягом якого передається сигнал, називається тривалістю сигналу Добуток цих основних параметрів сигналу визначає його обсяг (рис. 1.1) Обсяг сигналу можна визначити також через швидкість передачі інформації. Кількісно інформацію виражають у спеціальних одиницях — бітах. Один біт — це кількість інформації, яку містить один розряд двійкового цифрового коду. Швидкість передачі інформації виражають в бітах за секунду i позначають Літерою . Отже, обсяг сигналу Сигнали передаються на відстань за допомогою сукупності технічних засобів, яка називається каналом зв’язку. Це може бути двопровідна, кабельна, оптична, радіорелейна, супутникова або якась інша лінія зв’язку і своєю приймально-передавальною апаратурою. Кожен канал зв’язку має свої технічні параметри: смугу пропускання, динамічний діапазон та швидкодію. Щоб передати сигнал по каналу зв’язку без утрат інформації, його параметри треба узгодити з параметрами цього каналу. Такі дії над сигналом виконуються в перетворювачах, які докладно розглядаються в спеціальній теорії зв’язку. 32)Коливальний контур. Параметри контуру, їх взаємозв’язок. Коливальний контур, електричний ланцюг, що містить котушку індуктивності і конденсатор, в якій можуть збуджуватися електричні коливання. Якщо в деякий момент часу зарядити конденсатор до напруги V 0 , то енергія, зосереджена в електричному полі конденсатора, рівна Езде З — ємкість конденсатора. При розрядці конденсатора в котушці потече струм I , який буде зростати до тих пір, поки конденсатор повністю не розрядиться. У цей момент електрична енергія До. доза магнітна, зосереджена в котушці, E L =, де L — індуктивність котушки, I 0 — максимальне значення струму. Потім струм в котушці починає падати, а напруга на конденсаторі зростати по абсолютній величині, але з протилежним знаком. Через деякий час струм через індуктивність припиниться, а конденсатор заряджатиме до напруги — V 0 . Енергія До. до. знов зосередиться в зарядженому конденсаторі. Далі процес повторюється, але з протилежним напрямом струму. Напруга на обкладаннях конденсатора міняється згідно із законом V = V 0 cos w 0 t, а струм в котушці індуктивності I = I 0 sin w 0 t , тобто в До. до. збуджуються власні гармонійні коливання напруги і струму з частотою w 0 = 2 p/t 0 , де T 0 — період власних коливань, рівний T 0 = 2p. У ДО. до. двічі за період відбувається перекачування енергії з електричного поля конденсатора в магнітне поле котушки індуктивності і назад. В реальних До. до, проте, частина енергії втрачається. Вона витрачається на нагрів дротів котушки, що володіють активним опором, на випромінювання електромагнітних хвиль в навколишній простір і втрати в діелектриках (див. Діелектричні втрати ) , що приводить до загасання коливань. Амплітуда коливань поступово зменшується, так що напруга на обкладаннях конденсатора міняється вже згідно із законом V=v 0 e - d t cosw де коефіцієнт d = R/2l — показник (коефіцієнт) загасання, а w = — частота затухаючих коливань. То, втрати приводять до зміни не лише амплітуди коливань, але і їх періоду Т = 2 p/w . Якість До. до. зазвичай характеризують його добротністю . Величина Q визначає число коливань, яке зробить До. до. після однократної зарядки його конденсатора, перш ніж амплітуда коливань зменшиться в е разе підстава натуральних логарифмів). Якщо включити в До. до. генератор із змінною едс(електрорушійна сила U = U 0 cosw t (), тов До. до. виникне складне вагання, що є сумою його власних коливань з частотою w 0 і вимушених з частотою W. Через деякий час після включення генератора власні коливання в контурі затухнуть і залишаться лише вимушені. Амплітуда цих стаціонарних вимушених коливань визначається співвідношенням???? , тобто залежить не лише від амплітуди зовнішньою едс(електрорушійна сила) U 0 , але і від її частоти W. Залежність амплітуди коливань в До. до. від частоти зовнішньою едс(електрорушійна сила) називається резонансною характеристикою контура. Різке збільшення амплітуди має місце при значеннях W, близьких до власної частоти w 0 До. до. При W = w 0 амплітуда коливань V makc в Q разів перевищує амплітуду зовнішньою едс(електрорушійна сила) U. Т. до. зазвичай 10 < Q < 100, то До. до. дозволяє виділити з безлічі коливань ті, частоти яких близькі до w 0 . Саме це властивість (вибірковість) До. до. використовується на практиці. Область (смуга) частот DW поблизу w 0 , в межах якої амплітуда коливань в До. до. міняється мало, залежить від його добротності Q. Чисельно Q дорівнює відношенню частоти w 0 власних коливань до ширини смуги частот DW. Для підвищення вибірковості До. до. необхідно збільшувати Q. Проте зростання добротності супроводиться збільшенням часу встановлення коливань в До. до. Зміни амплітуди коливань в контурі з високою добротністю не встигають слідувати за швидкими змінами амплітуди зовнішньої едс(електрорушійна сила. Вимога високої вибірковості До. до. протіворечит вимозі передачі сигналів, що швидко змінюються. Тому, наприклад, в підсилювачах телевізійних сигналів штучно знижують добротність До. до. Часто використовуються схеми з двома або декількома зв'язаними між собою До. до. Такі системи при правильно підібраних зв'язках володіють майже прямокутній резонансній кривій (пунктир. Окрім описаних лінійних До. доз постійними L і З, застосовуються нелінійні До. до, параметри яких L або Із залежать від амплітуди коливань. Наприклад, якщо в котушку індуктивності До. до. вставлений залізний сердечник, то намагніченість заліза, аз ним і індуктивність L котушки міняється із зміною струму, поточного через неї. Період вагання в такому До. до. залежить від амплітуди, тому резонансна крива набуває нахилу, а при великих амплітудах стає неоднозначною (). У останньому випадку мають місце скачки амплітуди при плавній зміні частоти W зовнішньою едс(електрорушійна сила. Нелінійні ефекти виявляються тим сильніше, чим менше втрати в До. до. У ДО. доз низькою добротністю нелінійність взагалі не позначається на характері резонансної кривої. До. до. зазвичай застосовуються як резонансна система генераторів і підсилювачів в діапазоні частот від 50 кгц до 250Мгц. На вищих частотах роль До. до. грають відрізки двопровідних і коаксіальних ліній, а також об'ємні резонатори . Серед різних електричних явищ особливе місце займають електромагнітні коливання, при яких фізичні величини (заряди, струми, електричні і магнітні поля) періодично змінюються. Для виникнення і підтримування електромагнітних коливань необхідні певні системи, найпростішою з який є коливальний контур – ланцюг, який складається з увімкнених послідовно котушки індуктивністю L, конденсатора ємністю С і резистора опором R. Розглянемо послідовні стадії коливального процесу в ідеалізованому контурі, опір якого безмежно малий Для виникнення в контурі коливань конденсатор попередньо заряджають, надаючи його обкладкам заряди Q.Тоді в початковий момент часу (риса) між обкладками конденсатора виникне електричне поле, енергія якого Замкнувши конденсатор на котушку індуктивності, він почне розряджатися й у контурі потече зростаючий з часом струм I. У результаті енергія електричного поля буде зменшуватися, а енергія магнітного поля котушки – зростати. Оскільки , то, відповідно до закону збереження енергії, повна енергія контуру буде дорівнювати тому що енергія на нагрівання провідників у такому коливальному контурі не витрачається. У момент часу , коли конденсатор повністю розрядиться, енергія електричного поля зменшується до нуля, а енергія магнітного поля, а отже і струм досягають найбільшого значення (рис. б. Починаючи з цього моменту часу струм у контурі буде зменшуватися; отже, почне слабшати магнітне поле котушки й індукований у ній струм, який тече (відповідно до правила Ленца) у тому ж напрямку, що й струм розрядки конденсатора. Конденсатор почне перезаряджатися, при цьому виникне електричне поле, яке намагатиметься послабити струм, який зрештою зменшується до нуля, а заряд на обкладках конденсатора досягне максимуму (рис. 5, в. Далі ті ж процеси почнуть протікати в зворотному напрямку (рис. 5, г) і система до моменту часу t = Τ прийде в початковий стан (риса. Після цього почнеться повторення розглянутого циклу розрядки і зарядки конденсатора. Якби втрат енергії не було, тов контурі відбувалися б періодичні незагасаючі коливання, тобто періодично змінювалися (коливалися) б заряд Q на обкладках конденсатора, напруга U на конденсаторі і сила струму I, яка тече через котушку індуктивності. Отже, у контурі виникають електричні коливання з періодом Т, причому протягом першої половини періоду струм тече водному напрямку, протягом другої половини – у зворотному. Коливання супроводжуються перетвореннями енергій електричних і магнітних полів. Електричні коливання у коливальному контурі можна зіставити з механічними коливаннями маятника (рис. 7), які супроводжуються взаємними перетвореннями потенціальної і кінетичної енергій маятника. У даному випадку потенціальна енергія маятника аналогічна енергії електричного поля конденсатора , кінетична енергія маятника – енергії магнітного поля котушки , а швидкість руху маятника – силі струму в контурі. Рис Роль інерції маятника буде зводитися до самоіндукції котушки, а роль сили тертя, яке діє на маятник – до опору контуру. Відповідно до другого правила Кірхгофа, для контуру, який містить котушку індуктивністю L, конденсатор ємністю С і резистор опором R маємо , де IR – спад напруги на резисторі; – напруга на конденсаторі; – е.р.с. самоіндукції, яка виникає в котушці при протіканні в ній змінного струму ( - єдина е.р.с. у контурі). Отже, . (24) Розділивши (24) на L і підставивши і , одержимо диференціальне рівняння коливань заряду Q у контурі: (25) У даному коливальному контурі зовнішні ер. с. відсутні, тому розглянуті коливання є вільнимиколиваннями. Якщо опір R = 0, то вільні електромагнітні коливання у контурі є гармонічними. Тоді з (25) одержимо диференціальне рівняння вільних гармонічних коливань заряду Q в контурі: (26) З виразу (26) випливає, що заряд Q в коливальномуконтурі виконує гармонічні коливання за законом (27) де Q m – амплітуда коливань заряду конденсатора з циклічною частотою ω 0 , яка називається власною частотою контуру (28) і періодом (29) Формула (29) вперше була отримана Томсоном і називається формулою Томсона. Сила струму в коливальному контурі буде дорівнювати (30) де – амплітуда сили струму. Напруга на конденсаторі (31) де — амплітуда напруги. З виразів (30) і (31) випливає, що коливання струму I випереджають за фазою коливання заряду Q на π/2, тобто коли струм досягає максимального значення, заряд (також і напруга) зменшуються до нуля і навпаки. Цей взаємозв'язок був установлений при розгляді послідовних стадій коливального процесу в контурі і на підставі енергетичних міркувань. Вільні електромагнітні коливання в контурі є незгасаючими. 33)Логічні ТТЛ – елементи. Типи, особливості Елементи ТТЛ та ТТЛШ будуються на основі єдиного схемотехнічного принципу (рис. Відмінність елементу ТТЛ від ТТЛШ полягає в тому, що в транзисторах другого присутні діоди Шотки, які ввімкнені в транзистор між базою та колектором, обмежуючи насичення транзистора, що забезпечує вищу швидкодію та менше енергоспоживання. Рисунок 4 Базовий логічний елемент ТТЛШ (ТТЛ) В схемі логічного елемента на вході знаходиться багатоемітерний транзистор (до 12-ти емітерів) VT1, який виконує логічну операцію І, а на виході - складний інвертор на транзисторах VT2-VT5. Таким чином елемент виконує логічну операцію І-НЕ. Всі мікросхеми ТТЛ та ТТЛШ мають напругу живлення В. Напруга низького рівня (логічний нуль) для всіх мікросхем ТТЛ складає В, напруга високого рівня (логічна одиниця) - В (див.табл.1). У мікросхем ТТЛШ вказані напруги мають близькі значення. При надходженні на входи X1 та X2 сигналів високого рівня емітерні переходи транзистора VT1 закриваються. Струм через резистор R1 та відкритий колекторний перехід VT1 поступає на базу VT2 і закриває його. Падінням напруги на резисторі R3 відкривається транзистор VT3. Транзистори VT4, VT5 закриваються. В результаті - на виході елемента встановлюється напруга низького рівня. При подачі на один із входів сигналу низького рівня відкривається відповідний емітерний перехід транзистора VT1 і через цей перехід потече струм . Транзистори VT2, VT3 закриються, а транзистори VT4, VT5 - відкриються. На виході елемента встановлюється напруга високого рівня. Діоди VD1, VD2 введені в структуру елемента для захисту його входів від скачків напруги від'ємної полярності. Серії мікросхем ТТЛ та ТТЛШ перекривають широкий діапазон за швидкодією та енергоспоживанням. Це забезпечується комплексним випуском серій, які розраховані на різну швидкодію, але сумісних за всіма характеристиками, часто навіть і розведенням виводів у корпусі. Так, комплекс серій мікросхем ТТЛ включає серії 130, К (частота переключення ІМС до МГц, серії 133, К (до МГц, серії К, К (до МГц. На зміну мікросхемам ТТЛ прийшли мікросхеми ТТЛШ серій 530, К (до МГц, 533, К (до МГц, К (до МГц, К (до МГц. Останні дві серії відрізняються значно меншим енергоспоживанням. КМОН 9 1 1 1 2 ТТЛШ 2 8 5 5 9 ІІЛ 5 4 5 5 2 ЕЗЛ 1 10 2 4 1 |