Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
36)RC- підсилювачі гармонічних сигналів. Параметри, робота Вибіркові підсилювачі – це пристрої, що підсилюють сигнали у вузькій смузі частот. За межами смуги пропускання їх коефіцієнт підсилення різко падає. Загальним для всіх вибіркових підсилювачів є те, що як колекторне навантаження транзистора в них використовуються ланцюги, опір яких залежить від частоти. Частковим випадком вибіркового підсилювача є резонансний підсилювач, у якому в колі колектора транзистора увімкнено паралельний коливальний LC - контур. Схема резонансного підсилювача, наведена на рис. 5.1, містить ті ж елементи, що і схема RC- підсилювача (див. лабораторна робота №4). Однак, як колекторне навантаження тут використовується паралельний контур . Відомо, що еквівалентний опір такого контуру залежить від частоти і досягає максимального значення на резонансній частоті (рис. 5.2). Рис. 5.2. Амплітудно-частотна характеристика резонансного підсилювача Коефіцієнт підсилення транзистора залежить від опору навантаження в ланцюзі колектора. У зв'язку з цим, характер залежності коефіцієнта підсилення від частоти буде повторювати залежність від частоти, а отже, коефіцієнт підсилення резонансного підсилювача також досягає свого максимуму на резонансній частоті. Основні параметрита характеристики резонансного підсилювача залежать від параметрів і характеристик резонансного контуру , до яких належать: 1) резонансна частота LC – контуру , 2) хвильовий опір контуру 3) добротність: де – опір, що враховує активні втрати енергії в індуктивності і ємності контуру. Цей опір експериментально визначити досить складно, тому добротність часто визначають за експериментально знятою амплітудно-частотною характеристикою, графік якої зображений на рис. 5.2: , де – смуга пропускання підсилювача. Чим більша добротність контуру, тим меншою є його смуга пропускання. Для того, щоб підвищити добротність контуру, необхідно зменшити втрати в ньому (тобто, опір ). Якщо паралельно або послідовно контуру підключити резистор, втрати будуть зростати, а смуга пропускання резонансного підсилювача, відповідно, розширюватися. Якщо підсилювач працює в режимі класу В або на вході підсилювача в режимі класу А подається вхідний сигнал з (див. лабораторну роботу №4, рис. 4.4), колекторний струм транзистора буде не синусоїдальним (з'являються нелінійні спотворення). Несинусоїдальний струм окрім основної гармоніки містить вищі гармоніки, частоти яких кратні основній. Якщо при цьому резонансна частота контуру збігається із частотою однієї з таких гармонік, то підсилювач буде забезпечувати максимальне підсилення саме для даної гармоніки. У цьому випадку, резонансний підсилювач із всього спектру частот вхідного сигналу виділяє тільки одну гармоніку. Оскільки зі збільшенням номеру гармонік їх потужність швидко зменшується, резонансний підсилювач забезпечує задовільне виділення гармонік не вище п'ятої. Такий режим робота резонансного підсилювача називається режимом множення частоти. У випадку, коли в процесі роботи підсилювача в режимі множення частоти його вхідна частота змінюється, виникає ситуація, коли амплітудно-частотна характеристика містить декілька максимумів, які відповідають основній та декільком вищим гармонікам вхідної напруги. В тому випадку, коли в резонансний підсилювач вводиться коло зворотного зв'язку, існує можливість переведення йогов режим генератора. Генератор сигналів – це пристрій, що за допомогою підсилювальних елементів перетворює енергію джерела живлення в електричні коливання заданої частоти і форми. Залежно від форми генерованих коливань розрізняють генератори: 1) синусоїдальних коливань; 2) релаксаційних коливань (генератори імпульсів). Будь-який генератор являє собою підсилювач з колом позитивного зворотного зв'язку. Коло зворотного зв'язку – це штучно створений ланцюг, по якому вихідний сигнал підсилювача (або його частина) подається на його вхід (рис. 5.3). Рис. 5.3. Структура підсилювача з колом зворотного зв'язку На рис. 5.3 використано наступні позначення: – коефіцієнт підсилення самого підсилювача – ( - напруга на вході підсилювача); – коефіцієнт підсилення в колі зворотного зв'язку – ( – напруга на виході кола зворотного зв'язку). Кола зворотного зв'язку класифікуються наступним чином 1) за видом сигналу – зворотні зв'язки за напругою (напруга зворотного зв’язку пропорційна вихідній напрузі на навантаженні підсилювача) та струмом (напруга зворотного зв’язку є пропорційною до струму навантаження); 2) за способом передавання енергії – паралельний (напруга підключається паралельно з напругою джерела вхідного сигналу ) і послідовний (напруги вмикаються послідовно) зворотний зв’язок. Найчастіше використовується послідовний зворотний зв’язок за напругою – такий зв’язок стабілізує вихідну напругу підсилювача у випадку зміни опору навантаження (рис. 5.4). Рис. 5.4. Структурна схема підсилювального каскаду з послідовним зворотним зв’язком за напругою У схемі, наведеній на рис. 5.4, напруги пов’язані наступним співвідношенням: Якщо – коефіцієнт підсилення кола без зворотного зв’язку, а – коефіцієнт підсилення кола зі зворотним зв’язком, то для схеми рис. 5.4 напруга на виході підсилювача буде розраховуватися наступним чином Розділивши обидві частини виразу на , отримується вираз для : , , Добуток коефіцієнтів ( ) називається коефіцієнтом зворотного зв’язку – це коефіцієнт, який визначає характер кола зворотного зв’язку. Додатній зворотний зв’язок – це зворотний зв’язок, при якому коефіцієнт передачі кола зворотного зв'язку і загальний коефіцієнт підсилення збільшується Для схем з додатнім зворотним зв’язком можливий режим, коли на виході існують коливання навіть за відсутності вхідного сигналу, за умови, що коефіцієнт зворотного зв’язку лежить в межах , тобто , або і Значення є першою умовою перетворення підсилювача на генератор електричних коливань широкого спектру частот (наприклад, резонансний LC-підсилювач з ланкою зворотного зв’язку на базі змінного резистора та додаткової котушки індуктивності). Другою умовою є сумарний фазовий зсув в підсилювачі тау колі зворотного зв'язку Таким чином, для того щоб виникла генерація електричних коливань у генераторі, необхідне виконання двох зазначених умов 3) баланс фаз ; 4) баланс амплітуд , тобто ослаблення сигналу в колі зворотного зв'язку повинне компенсуватися його підсиленням у підсилювачі. Якщо умови балансу фаз і балансу амплітуд виконуються тільки для однієї частоти, генератор буде генерувати електричні коливання синусоїдальної форми. Якщо ж баланс фаз і баланс амплітуд виконуються для декількох частот, генератор генерує коливання, що містять цей спектр частот (несинусоїдальні коливання). В схемі рис. 5.1 LC – генератор формується шляхом підключення додаткових елементів кола зворотного зв'язку та . У досліджуваній схемі умова балансу фаз виконується за рахунок. відповідного підключення (фазування) вторинної обмотки трансформатора Підсилювальний каскад, зібраний за схемою зі спільним емітером, забезпечує фазовий зсув . Для забезпечення балансу фаз, вторинна обмотка трансформатора підключається таким чином, щоб забезпечувався фазовий зсув Сигнал зворотного зв'язку, який подається на базу транзистора, може регулюватися за допомогою потенціометра зворотного зв'язку . Зміщуючи движок потенціометра, домагаються виконання умови балансу амплітуд і виникнення генерації. Частота генерації визначається резонансною частотою контуру . З формули видно, що для одержання низьких частот генерації необхідно збільшувати індуктивність i ємність коливального контуру. Однак це призводить до суттєвого збільшення габаритів пристрою та зростання втрат енергії, тому добротність таких контурів низька. Тому LC-генератори використовуються для одержання коливань на високих частотах (десятки-сотні кілогерц). 37. Сигнал — це будь-який фізичний носій інформації, кількісні характеристики змінюються з часом. Це фізичний процес, здатний діяти на органи чуття людини або технічні пристрої (наприклад, давачі), що застосовується для відтворення, передачі, приймання, перетворення та зберігання інформації. 3 метою створення i поширення сигналів використовують фізичні властивості різних носіїв інформації (наприклад, пружність, прозорість, кольоровість, електропровідність, намагніченість). Отже, за фізичною природою носія інформації сигнали можуть бути механічні звук, морський прапорцевий семафор, електричні (зміна струму або напруги), магнітні(феромагнітна плівка, магнітна стрічка), оптичні (світлофор, сигнальна ракета) тощо. Одна і та сама інформація може бути перетворена і передана на відстань сигналами різної фізичної природи. При цьому зміст інформації визначається не природою носія, а лише законом зміни кількісних величин, що його характеризують. Тому дуже часто для зручності оброблення та передавання сигнали однієї фізичної природи перетворюють на сигнали іншої фізичної природи. Наприклад, для підвищення потужності звукових сигналів ї за допомогою мікрофона перетворюють на електричні сигнали, які підсилюють, а потім за допомогою гучномовця знову перетворюють на механічні сигнали (звук. У радіоелектроніці використовують переважно електричні сигнали, тому що вони забезпечують найвищу швидкодію радіоелектронних пристроїв, легко обробляються радіоелектронними методами i перетворюються на сигнали будь-якої іншої фізичної природи. Крім того, саме електричні пристрої оброблення сигналів найбільш технологічні, надійні, економічні та малогабаритні з усіх існуючих. Отже, з розглянутих причин можна говорити про прикладну універсальність електричних сигналів. Серед електричних сигналів окремо виділяють сигнали повідомлення (ї ще називають керувалъними) і радіосигнали. Останні відрізняються тим, що для ї створення використовують спеціальні високочастотні коливання. Ці коливання в б ніякої інформації не містять, а є лише допоміжними носіями інформації, яка міститься в сигналах повідомлення. Тому вони називаються носійними коливаннями. Для передавання інформації один з параметрів носійного коливання (амплітуду, частоту, фазу, тривалість) змінюють за законом зміни сигналу повідомлення. Цей процес називається 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 поставитидвійковий, 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 сигналу Рис. 1.1. Ілюстрація обсягу , його динамічний діапазон та трив електричного сигналу. алість 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 . (1.1) 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) . (1.2) 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 . (1.3) 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. |