Глава 5. Сигналы или переменный ток на практике

Каждый раз, когда я вспоминаю о сигналах, я вспоминаю книгу «Радио-технические цепи и сигналы» Гоноровского И.С. Недавно мне вновь напомнили о ней. Конечно, она сложна для начинающих, но пройдет время, вы станете опытным любителем или профессионалом, вспомните, что есть такая хорошая книга, и обязательно почитайте ее.

Разные законы изменения переменного тока

Самый простой закон изменения тока – синусоидальный. Я уже говорил, что синусоидальное напряжение генерируют многие приборы для исследования электрических схем. Почему именно синусоидальное напряжение? Скорее всего, потому что сигналы другой формы можно представить как смесь сигналов синусоидальной формы. Поэтому, при испытаниях, например, усилителей, подавая от генератора сигнал синусоидальной формы, мы можем оценить воздействие собранного нами усилителя на испытательный сигнал. Если сигнал не изменил своего вида, то усилитель работает в хорошем режиме и не вносит искажений. Иногда мы намеренно вносим искажения, но это особый случай, чаще любые искажения фактор нежелательный. Как могут выглядеть искажения синусоидального сигнала на практике? Соберем простую схему, скажем, на двух транзисторах.

Рис. 5.1. Схема усилителя на двух транзисторах

Сигнал от генератора V1 подается на усилитель, резистор R4 служит нагрузкой, с которой

снимается сигнал Uout, изображенный на диаграмме. Сигнал синусоидальной формы. В данном случае, это еще следовало бы проверить, но пока примем все на веру, в данном случае искажений сигнала нет. Но что произойдет, если изменить параметры схемы.

Рис. 5.2. Искажения сигнала, вносимые схемой усилителя

Даже я вижу, как искажается сигнал после того, как сопротивление R3 изменило свое значение с 5 кОм на 100 Ом. Если бы мы использовали осциллограмму реального звукового сигнала, имеющего весьма сложную форму, то эти искажения не были бы столь заметны, хотя на слух проявились бы в виде хрипов или каких-то других призвуков.

Слух – очень чувствительный инструмент проверки. Он подмечает все наши недоделки в усилителях звуковой частоты, но не слишком помогает определиться с тем, где мы ошибаемся, не может подсказать, что следует изменить в схеме. А приборы, генератор низкой частоты и осциллограф, при умении ими пользоваться могут не только показать наличие проблем, но и подсказать, как этих проблем избежать.

Я расскажу, как бы я стал рассуждать, увидев такое на экране осциллографа, а потом покажу, как бы я проверил свои рассуждения. Во-первых, исходный сигнал симметричная синусоида. Полученный мною на выходе сигнал имеет верхнюю полу-волну похожую на исходную, а нижнюю явно искаженную. Для получения симметричного сигнала на выходе желательно подобрать такой режим, когда постоянное напряжение на выходе в отсутствии сигнала равно половине питающего напряжения. В этом случае выходному сигналу «есть куда меняться», а он не может в своем размахе превысить возможности питающего напряжения. Если напряжение на выходе усилителя в отсутствии сигнала не равно половине

питающего напряжения, то одна полу-волна не будет иметь равные с другой возможности. Что, похоже, и произошло.

Чтобы проверить это, измерим постоянное напряжение на резисторе R3 относительно земли (общего провода), удалив генератор V1.

Рис. 5.3. Измерение постоянного напряжения в отсутствии сигнала

Как этого следовало ожидать, напряжение на резисторе R3 очень маленькое. А сигнал, усиленное переменное напряжение, на сопротивление нагрузки R4 должен сниматься именно отсюда. Следовательно, амплитуда сигнала будет ограничиваться этим маленьким значением напряжения. Напомню, переменное напряжение на выходе усилителя будет меняться только по величине, но не по направлению относительно общего провода. Меняться же по величине оно может в одну сторону существенно, а в другую, очень незначительно. Если нет особых соображений, нет особого использования схемы усилителя, резонно так подобрать параметры схемы (величины сопротивлений), чтобы напряжение в этой точке было близко к половине питающего напряжения. Особые соображения, которые могли бы помешать этому, могут касаться сигнала. Если предстоит усилить, скажем положительный импульс, то нет нужды смещать рабочую точку, или если входной сигнал заведомо мал, тоже можно не очень беспокоиться, хотя 0.2 В — это слишком мало.

Чтобы улучшить положение дел, следует либо изменить параметры схемы, увеличив это напряжение, либо уменьшить значение входного сигнала. Проще сделать второе.

Рис. 5.4. Сигнал на выходе усилителя после уменьшения входного сигнала

Этот вид выходного сигнала после уменьшения входного сигнала до 10 мВ больше напоминает синусоиду.

Искажения синусоидального сигнала, видимые на рисунке 5.2, называют нелинейными искажениями. Иными словами, переменное напряжение, поданное на вход усилителя, на его выходе изменяется несколько по другому закону из-за того, что преобразование сигнала не было линейным. Математический аппарат на основе работ Фурье позволяет сказать, что и насколько изменилось. На практике для этой цели применяют анализатор спектра выходного сигнала. А при работе с усилителями звуковой частоты чаще используют другой прибор, показывающий общий вклад составляющих искажений, который называется измерителем нелинейных искажений.

Искаженный на выходе сигнал можно представить как совокупность нескольких сигналов: основной синусоидальный сигнал, как тот, что был на входе, и несколько синусоидальных сигналов с меньшей амплитудой и частотой в 2, 3, 4 и т.д. раз больше, возможно с разными фазами. Их называют гармониками или гармоническими составляющими.

Проделаем такой эксперимент. Возьмем несколько источников переменного напряжения с кратными частотами, разными амплитудами и смешаем их вместе. Посмотрим, что происходит с основным сигналом в таком коктейле (смешаем, но не будем взбалтывать).

Рис. 5.5. Смешивание синусоидальных сигналов кратных частот На диаграмме ниже показан результирующий сигнал и основной с частотой 1 кГц.

Рис. 5.6. Результат проведенного эксперимента

Появление сигналов с частотой 2 кГц и 5 кГц привело к изменению вида сигнала. Многие периодические сигналы, например, прямоугольные или треугольные, можно представить подобной смесью синусоидальных сигналов. На практике, за редким исключением, нас интересует, как избежать появления искажений. Есть графические приемы, поясняющие

причины возникновения нелинейных искажений в усилителях, есть математические методы, но можно пользоваться достаточно простым объяснением. Исходный сигнал, полученный с помощью генератора синусоидального сигнала, не бывает идеальным. В нем всегда есть примесь гармоник, сигналов кратных частот. С другой стороны, возможности усилителя выполнить свою работу, усилить входной сигнал, не безграничны. Они ограничены величиной питающего напряжения. Если увеличивать сигнал на входе усилителя, то в какойто момент сигнал на выходе достигает наибольшего возможного значения. Для определенности скажем, что двойная амплитуда сигнала стала равна питающему напряжению. При дальнейшем увеличении входного сигнала основная частота на выходе увеличиваться не будет. Но гармонические составляющие входного сигнала имеют значительно меньшую амплитуду, они могут усиливаться, и они продолжают усиливаться усилителем. Получается так, что с каждым увеличением сигнала на входе, мы получаем новую смесь основной частоты и гармоник на выходе, где амплитуда гармоник увеличивается, тогда как основная частота остается на прежнем уровне. Попробуйте менять величину напряжения источников V2 и V3 на схеме рисунка 5.5. Посмотрите, как будет меняться вид сигнала. На макетной плате этот эксперимент проделать труднее, потребуется несколько генераторов, но результат должен получится похожим.

Каким образом оценивается величина искажений? Я уже говорил о таком приборе, как измеритель нелинейных искажений. Его принцип работы достаточно прост. На входе прибора стоит фильтр, который подавляет основную частоту. То, что остается, попадает на вольтметр. По показаниям вольтметра оценивают величину нелинейных искажений. Отношение измеренного напряжения после подавления основной частоты к напряжению исходного сигнала, выраженное в процентах, в первом приближении и будет оценкой искажений – коэффициентом нелинейных искажений. Для усилителя звуковой частоты коэффициент нелинейных искажений очень важный параметр. Хотя человеческое ухо не слишком хорошо слышит искажения порядка 1-2%, коэффициент нелинейных искажений качественного усилителя мощности желательно иметь не более 0.1-0.05%. Очень большие искажения звука при усилении вносят громкоговорители 1-2%, но если усилитель будет иметь искажения 1-2%, они добавятся к искажениям громкоговорителей и результат будет хорошо заметен на слух. Для борьбы с нелинейными искажениями при создании усилителей стараются тщательно установить режимы работы всех каскадов по постоянному току, применяют элементную базу, линеаризующую работу усилителя, вводят отрицательную обратную связь. Эти методы мы рассмотрим позже, а сейчас проведем несколько экспериментов, позволяющих лучше понять работу измерителя нелинейных искажений. Возьмем колебательный контур (параллельно включенные индуктивность и емкость), настроенный на частоту 1 кГц. Я говорил, что при таком включении два реактивных элемента имеют особенную частоту, на которой их сопротивления равны. Эту частоту называют резонансной. В параллельном колебательном контуре на частоте резонанса сопротивление контура максимально. Если последовательно с контуром включить резистор, мы получим делитель напряжения, но делитель частотно-зависимый. На одних частотах напряжение, снимаемое с резистора, будет одним, на других, другим. Проверим это с помощью программы или на макетной плате.

Рис. 5.7. Параллельный колебательный контур

Как видно из рисунка, напряжение после фильтра на частоте близкой к 1 кГц минимально. Эта частота «вырезается» из спектра сигнала, или «подавляется» фильтром. Используем полученную схему для того, чтобы посмотреть результат подавление частоты 1 кГц на выходе схемы на рисунке 5.2. В первом эксперименте настроим генератор V1 на частоту 100 Гц и осциллографом посмотрим сигналы на входе фильтра (out1) и на его выходе (out2). Следуя нашим рассуждениям фильтр не должен мешать прохождению сигнала, и вид сигнала на выходе фильтра не должен отличаться от вида на входе. В настройках моделирования при частоте сигнала 100 Гц время моделирования приходится увеличить с 1 мС до 30 мС, в противном случае видна только часть сигнала. Фильтр на выходе усилителя включен вместо нагрузочного резистора R4, в остальном обе схемы, усилителя и фильтра, не подверглись изменениям. Посмотрим, что у нас получится.

Рис. 5.8. Вид сигналов на входе и выходе фильтра на частоте 100 Гц

Как мы и предполагали, оба сигнала слились в один. В верхней части рисунка есть таблица, показывающая значения напряжений измерителя на выходе фильтра. При выборе показаний, зависящих от времени, в таблицу записываются все показания на каждом шаге моделирования. Я выделил максимальное значение 0.0334 В. Аналогично поступим и во втором эксперименте.

Для этого изменим частоту задающего генератора V1 со 100 Гц на 1 кГц. Время моделирования несколько уменьшим, до 10 мС. Посмотрим, что изменится.

Рис. 5.9. Вид сигналов на входе и выходе фильтра на частоте 1 кГц

На выходе фильтра остались гармонические составляющие, а измеритель напряжения показывает значение порядка 0.005 В. Полученные измерителем значения напряжения в двух экспериментах можно использовать для оценки коэффициента нелинейных искажений. Разделим второе показание на первое и умножим на 100. Получим величину порядка 15 %. Нелинейные искажения такой величины должны быть заметны на слух.

Хотя промышленные приборы для измерения коэффициента нелинейных искажений строятся несколько иначе, для практических целей можно использовать именно такой подход. При этом достаточно иметь один-три фильтра, скажем на частоту 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц. Фильтры с LC контуром получаются громоздкими, но можно сделать активные RC фильтры. Они гораздо компактнее. Если вы не ставите своей целью создание усилителя низкой частоты, предварительного или усилителя мощности, очень высокого качества, то оценки нелинейных искажений при разных настройках усилителя может оказаться достаточно. Если же вы собираетесь строить высококачественные усилители, вам понадобится качественный прибор для измерения нелинейных искажений. Есть схемы любительские, есть промышленные приборы. При создании своих схем прибора следует учесть несколько немаловажных факторов – генератор испытательных сигналов сам должен иметь очень маленький коэффициент нелинейных искажений. Построение широкополосного генератора даже низкой частоты с малыми нелинейными искажениями задача не столь простая, как может показаться на первый взгляд. Чтобы ее упростить, можно также строить несколько генераторов на несколько частот. Точная настройка фильтра на заданную частоту потребует подстройки всех элементов фильтра, их следует брать такими, которые легко позволяют

менять значение компонента, скажем, параллельным включением подстроечного. И, наконец, измеряя напряжение на входе и выходе фильтра с помощью вольтметра переменного напряжения, не следует забывать, что большая часть таких вольтметров показывают переменное напряжение с обусловленной точностью только тогда, когда переменное напряжение синусоидальное, чего никак не скажешь о форме выходного сигнала после фильтра.

Не следует переоценивать влияния нелинейных искажений. Во многих случаях суммарные искажения всего тракта усиления звука 1-1.5% вы можете не заметить на слух. Для карманного радиоприемника они будут вполне приемлемы, а для усилителя лучше использовать готовую микросхему УНЧ, чем делать схему на транзисторах. С другой стороны, научиться строить усилители и разбираться в их работе трудно в опытах с готовой микросхемой.

К слову, осциллограф-приставка к компьютеру, о чем говорилось выше, может иметь встроенную функцию анализатора спектра. Если обратиться к рисунку 3.6, видно, что программа переключается для работы в разных режимах, не только в режиме осциллографа. Наличие анализатора спектра позволит достаточно качественно оценивать нелинейные искажения.

Кроме нелинейных искажений в аналоговых схемах, хорошо выявляемых испытаниями с помощью синусоидальных сигналов, есть искажения, которые оказывают существенное влияние на работу цифровых схем. Как правило, сигналы цифровых микросхем – это прямоугольные импульсы, периодические или нет. Идеальный прямоугольный сигнал имеет мгновенно устанавливающейся уровни, высокий и низкий. Реальный сигнал для установления уровней требует небольшого, но времени. Это в первую очередь связано с наличием емкостей: монтажных, конструктивных и штатных, относящихся к самим элементам схемы. Чем выше быстродействие микросхемы, и чем ниже используемая частота переключений, тем больше сигнал на выходе микросхемы похож на идеальный. Собственно, если учитывать, а при проектировании это всегда принимают во внимание, если учитывать отличие сигнала от идеального, то работа схемы получается правильной. Для приведения сигналов к «правильным» временным рамкам используют, например, цепи задержки импульсов. При наладке, если даже продуманная задержка не помогла, используют самый простой способ — добавляют конденсатор на выход микросхемы, сигнал которой следует «притормозить». Такая необходимость возникает, если вы записываете данные в цифровую микросхему. Сигнал записи должен приходить только в тот момент, когда данные установлены на входе, иначе они могут «прочитаться» неверно. Если же данные, которые предстоит записать, собираются по всей схеме, то может получится так, что они запаздывают. Тогда можно попытаться задержать сигнал записи с помощью конденсатора.

Как это выглядит, посмотрим в самом простом случае. Проведем эксперимент с RC цепочкой.

Рис. 5.10. Влияние RC цепи на формирование фронтов прямоугольного импульса

Нижняя осциллограмма соответствует сигналу генератора, а верхняя – сигналу, прошедшему через RC цепь. Конденсатор С1, напомню, в начальный момент времени полностью пропускает через себя ток, при этом напряжение на нем близко к нулевому. Затем конденсатор заряжается, а напряжение на нем растет по мере заряда. Время, которое требуется конденсатору для того, чтобы он зарядился до напряжения источника, прямо пропорционально его емкости и величине сопротивления, через которое конденсатор заряжается.

Похожий процесс происходит и тогда, когда напряжение источника становится нулевым. В этом случае конденсатор начинает разряжаться, на схеме через резистор R1 (внутреннее сопротивление источника напряжения в данном случае равно нулю) и резистор R2. Это тоже требует некоторого времени. Таким образом, конденсатор задерживает переход сигнала из состояния низкого уровня в высокий и наоборот.

Чтобы посмотреть, как на работе цифровой схемы могут сказаться подобные временные искажения, проведем исследование.

Рис. 5.11. Влияние емкостей на работу цифровых схем

Две одинаковые микросхемы Y3 и Y4 (исключающее ИЛИ) подключены к генератору прямоугольных импульсов через инверторы Y1 и Y2. Первая подключена непосредственно к инверторам, и на ее выходе сохраняется уровень логического нуля, а у второй микросхемы один из входов подключен через RC цепь. На выходе этой микросхемы появляются импульсы. Разница заметная.

Любая реальная цифровая микросхема имеет такой параметр, как время задержки импульса от входа к выходу. На рисунке 5.11 инверторы Y1 и Y2 имеют одинаковое время задержки распространения импульса. Но если изменить время задержки, а программа Qucs позволяет менять этот параметр, у одного инвертора, оставив второй без изменений, то вместо низкого уровня на выходе Y3 мы вновь получим импульсы. На рисунке ниже время задержки распространения сигнала у первого инвертора равно нулю, а у второго 100 мкС.