Рис. 5.22. Усилитель с положительной и отрицательной обратными связями

Хотя и не синус, но немного лучше. В реальных схемах, такой тип генератора называется схемой Вина, где применяют комбинацию положительной с фильтром и отрицательной обратной связи для получения синусоидального сигнала. Для стабилизации выходного напряжения и улучшения условий запуска генератора в отрицательную обратную связь вводят дополнительный нелинейный элемент. Но это уже история о генераторах, а не о сигналах. Сейчас появилось много хороших функциональных генераторов, вырабатывающих сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы. И параметры у них достаточно хорошие. Но, все-таки, это другая история.

Использование сигналов

Один из самых популярных способов использования сигналов – радиосигнал. Мобильный телефон, без которого многие сегодня не способны обходиться, радиоприемник, телевизор, компьютер с Wi-Fi подключением или спутниковым Интернетом, разного рода беспроводные датчики в автоматике, навигационное и локационное оборудование, устанавливаемое даже в автомобиле. И даже привычное «радиолюбитель» для тех, кто интересуется современной электроникой. Это все — радиосигнал.

Для использования радиосигнала нужны два устройства: передатчик и приемник. Если передатчик преобразует информацию, скажем звук, в радиоволну, то приемник должен превратить радиоволну в звук. Как это происходит?

Самые первые радиоприемники, которые создавались радиолюбителями, бывшими тогда

именно РАДИОлюбителями, были детекторные приемники. Радиостанции в то время в основном использовали амплитудную модуляцию несущей радио частоты. То есть, амплитуда радиосигнала менялась по закону изменения звука. Когда радиоволна достигала приемника, то вызвала появление тока в антенне, этот ток проходил через колебательный контур, настроенный на частоту несущей радиоволны, выделяя нужную частоту из множества других. Чаще настройка на станцию производилась с помощью конденсатора переменной емкости, но были и решения с перестройкой индуктивности. После выделения колебательным контуром нужной частоты радиосигнала смесь из полезного сигнала и слабых сигналов других станций попадала на детектор. Детектор – это, в сущности, выпрямитель. Мы знаем, что выпрямитель превращает переменное напряжение в постоянное. Не превратим ли мы после детектирования радиоволну в очень плохой источник питания с постоянным напряжением в несколько милливольт? Посмотрим.

Рис. 5.23. Детекторный приемник

Здесь в роли передающей радиостанции выступают два источника напряжения: V1, как передатчик с несущей частотой 1 МГц и V2, как диктор, умеющий свистеть на частоте 10 кГц и сидящий у микрофона передатчика V1. Конденсатор С1 изображает передающую антенну, безбрежное пространство и приемную антенну, растянутую в комнате, где на столе разложен детекторный приемник из контура L1C2, детектора D1 и наушников R1 (нас интересует пока только активное сопротивление наушников). Сигнал, полученный антенной детекторного приемника (out1), изображен на верхней диаграмме, а в наушниках (out2) на нижней. После детектирования, к счастью, мы получаем не постоянное напряжение, а переменное, изменяющееся по величине, и к нашему удовлетворению, это видно на диаграмме,

изменяющееся по тому же закону, по которому менялась амплитуда несущей частоты передатчика. «Огибающая» на обеих диаграммах – это синусоидальный сигнал с частотой 10 кГц.

По своей всегдашней привычке, родственнице лени, я значения элементов колебательного контура задал «на вскидку». Но в реальном детекторном приемнике настраиваются с помощью переменной емкости. В программе Qucs осуществить похожую подстройку тоже можно.

Рис. 5.24. Настройка колебательного контура на частоту 1 МГц

Чтобы полезный сигнал, огибающая, был больше похож на синусоиду параллельно резистору R1 в схеме детекторного приемника включим конденсатор. Эту операцию можно рассматривать двояко – на выходе выпрямителей включают конденсатор, который «сглаживает» выпрямленное напряжение, делая его больше похожим на то, что получается от батарейки; а можно рассуждать так, что конденсатор имеет маленькое сопротивление на частоте несущей и шунтирует наушники, а на частоте огибающей конденсатор имеет сопротивление во много раз большее, и не мешает полезному сигналу.

Рис. 5.25. Шунтирование несущей частоты конденсатором

Вот так изменяется вид сигнала после шунтирования наушников конденсатором емкостью 3000 пФ.

Простота конструкции детекторного приемника вызывает глубокий восторг. Когда-то первые радиолюбители ловили первые передачи радиостанций на такой приемник. Не знаю, что они использовали в качестве конденсаторов, но не думаю, что они могли использовать в качестве детектора германиевые диоды, и даже ламповые детекторы. Но что-то использовали. Жаль, что я не застал те времена, мне кажется они были славными. Когда мой сын был маленьким, я рассказывал ему о детекторном приемнике, и мне кажется, пытался повторить подвиг первых радиолюбителей, хотя не уверен, что успешно. Больше я не пытался это сделать. Не только потому, что плохо умею это делать, но сегодня эфир так заполнен радиосигналами, что даже, добавив к детекторному приемнику каскад усиления высокой частоты и каскад усиления низкой частоты (мне кажется, такая схема называется 1- V-1), трудно получить полезный сигнал хорошего качества на фоне мешающих радиосигналов.

С развитием вещания, с появлением все большего количества радиостанций схемы приемников стали усложняться. Каждая радиостанция помимо основной частоты вещания, несущей, занимает некоторую полосу, а в каждом частотном диапазоне вещания таких полос выделено ограниченное количество. Приемники требовали все более точной настройки на частоту передающей станции, иначе прослушивались, мешая, соседние станции, необходимо было усиливать выделенный сигнал несущей частоты, но не за счет увеличения каскадов усиления высокой частоты. В некоторых схемах радиоприемников применяли положительную обратную связь. Это улучшало условия настройки, но приемники имели тенденцию к самовозбуждению. И тогда...

Появился приемник супергетеродинного типа. Сущность такого приемника проста. И как все простое, это решение, как мне кажется, трудно было найти. Идея новой схемы в том, чтобы превратить радиосигнал любой радиостанции в сигнал с фиксированной несущей частотой. Для такой частоты можно было использовать усилители с большим коэффициентом усиления, то есть, очень значительно усилить полученный сигнал. Для получения этой фиксированной, или промежуточной частоты, использовали смешивание сигналов двух частот на нелинейном элементе. В результате кроме основных частот должно получиться еще две частоты, разностная и суммарная. Разностная, ниже частоты радиосигнала, выделяется колебательным контуром, настроенным на эту частоту, а затем может усиливаться каскадами усиления промежуточной частоты. Усилитель, предназначенный для усиления одной частоты, может иметь значительно больший коэффициент усиления, чем широкополосный, особенно, если это не слишком высокая частота. Выглядеть это должно, приблизительно, так.

Рис. 5.26. Смешивание двух частот на нелинейном элементе

Верхняя диаграмма (сигнал out) отображает сигнал промежуточной частоты, а нижняя, скорее, смесь всех сигналов: от генераторов V2 и V3, и сигналов суммарной и разностной частоты. Если нелинейные искажения в усилителях звуковой частоты мешали, то искажения в этом случае оказываются очень полезны.

Может сложиться впечатление, что чем сложнее, тем полезнее сигнал. Это не так. Самый простой вид сигнала – это сигнал с делителя напряжения, один из резисторов которого терморезистор. Зная, каким температурам соответствуют какие напряжения, можно следить за напряжением на терморезисторе, отображая его в виде температуры. Мы получаем электронный термометр. Напряжение на терморезисторе, очень медленно изменяющееся, тоже вполне можно назвать сигналом. Если мы хотим управлять температурой, положим в помещении, то, используя этот сигнал, мы можем включать и выключать обогреватель.

При управлении температурой в технологических процессах, когда нужна большая точность, а температуры могут достигать больших значений, вместо терморезистора используют термопары. Этот элемент генерирует постоянное напряжение очень маленькой величины. Для его использования сигнал необходимо усиливать. Усиление маленького постоянного напряжения задача не из самых легких. Температура сказывается не только на состоянии датчика температуры, но и на всех элементах усилителя, самопроизвольно меняя коэффициент усиления. Чтобы обойти эту проблему, маленькое медленно меняющееся напряжение превращают, например, в импульсное переменное напряжение, амплитуда которого равна исходному напряжению. Теперь можно усиливать быстро меняющееся напряжение усилителем переменного напряжения, коэффициент усиления которого

значительно стабильнее. Как происходит преобразование одного сигнала в другой?

Рис. 5.27. Преобразование сигнала делителя постоянного напряжения в импульсный

На рисунке резистор R2 – это терморезистор. Транзистор T1 работает в режиме ключа, управляемый генератором прямоугольных импульсов V2. Напряжение на терморезисторе с помощью ключевого транзистора преобразуется в импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых соответствует напряжению на терморезисторе. Чтобы проверить это, я включил измеритель напряжения, который показывает 3.28 В.

Теперь изменим напряжение на терморезисторе. Для этого можно изменить величину этого резистора, что происходит при изменении температуры и отвечает реальности, или можно изменить напряжение питающего источника постоянного напряжения V1, что не изменит, или не должно изменить, результат, но не происходит в реальности. Попробуем пока не лукавить и изменить величину резистора. Если это не получится, у нас останется «лукавый» вариант в запасе.

Изменение напряжения на терморезисторе должно привести к увеличению амплитуды прямоугольных импульсов.

Рис. 5.28. Изменение амплитуды импульсов при изменении «температуры»

Кстати похожее преобразование используется в современных блоках питания, где отказ от традиционного понижающего трансформатора снижает вес блока во много раз.

Импульсные сигналы особенно интенсивно используются в цифровых схемах. Как правило, это сигналы уровня логических единицы и нуля, разные для цифровых микросхем, выполненных по разным технологиям, но зато в цифровых сигналах еще больше разнообразия: сигналы данных, адресные сигналы, сигналы управления (и помех).

Забегая вперед, я хочу показать, как сигналы данных записываются в D-триггер. Триггер – устройство, имеющее два устойчивых состояния, любое из них может сохраняться до прихода следующего управляющего импульса, пока триггер подключен к источнику питания. В цифровой схемотехнике применяют несколько подвидов триггеров: RS-триггер, T-триггер, JK-триггер, D-триггер и т.д. На основе триггеров можно легко построить схему для записи, например, байта данных. Подобные микросхемы носят название регистров и являются непременным атрибутом всех устройств, входящих в состав компьютера.

Триггер можно рассматривать как нечто целостное, как неделимую сущность с определенными свойствами. И для кого-то подобный подход может оказаться полезнее, чем рассмотрение устройства триггера. Такая точка зрения близка к современному подходу в программировании, в том что касается объектно-ориентированного программирования. Но я не люблю «черных ящиков», всегда испытываю непреодолимое желание посветить внутрь хотя бы фонариком. Посмотрим, как сигналы используются в цифровой технике, а потом решим, как поступить с триггером.

Рис. 5.29. Запись данных в D-триггер

Исходно выход триггера находится в состоянии логического нуля (out). На его вход D (in1) от источника сигнала S1 приходят импульсы, которые я назвал DATA, на вход записи (in2) приходят тактовые импульсы. Когда на входе D появляется сигнал с уровнем логической единицы, фронтом тактового импульса этот сигнал записывается в триггер. Я уже говорил о временных искажениях, возникающих в цифровых устройствах. Если, как это видно на диаграмме в момент времени, обозначенный как «Запись», сигнал данных чуть-чуть запоздает, то состояние выхода триггера не изменится. Чтобы избежать подобных ситуаций, стараются так организовать схему, чтобы данные устанавливались несколько раньше прихода сигнала записи. Конечно, это замедлит работу устройства в целом, но повысит его надежность. Очень часто построение схемы устройства – это компромисс между скоростью и надежностью, качеством и стоимостью, простотой и габаритами и т.д. Оптимальное соотношение, как правило, результат многократных экспериментов, опыта и знаний. И даже любителю не стоит пренебрегать проверкой любого решения на макетной плате, и не однократной, а многократной, по возможности в разных условиях эксплуатации. Иначе получается так, что схема, работавшая вполне убедительно при проверке, отказывается работать именно тогда, когда в ней есть нужда, когда пришло время насладится плодами своего труда.

Касательно устройства триггера. Собственно говоря, он не будет содержать никаких элементов, с которыми мы бы уже не познакомились. Транзисторы, резисторы и конденсаторы – все уже знакомо. Не вижу причин, отчего бы не рассмотреть, как устроен триггер изнутри, пусть самый простой. Схема ниже поможет в этом разобраться.

Рис. 5.30. Пояснения к работе триггера

Схема, если не учитывать импульсный генератор V2, абсолютно симметрична. Резисторы R2 и R3 определяют базовые токи транзисторов, транзисторы открываются, а коллекторные токи определяют падения напряжения на резисторах R1 и R4. Для триггера это начальное состояние является неопределенным. В нашей схеме на коллекторах транзисторов напряжения равные (измеренные вольтметрами Pr1 и Pr2) и составляют 1.62 В. Этому состоянию соответствует на диаграммах временной отрезок от 0 до 0.5 мС. В этот момент от генератора V2 приходит управляющий положительный импульс, нарушающий исходную симметрию, равновесие. Базовый ток транзистора T2 увеличивается, увеличивается падение напряжения на резисторе R4, транзистор T2 полностью открывается, а напряжение на его коллекторе оказывается близким к нулю, что видно на нижней диаграмме. Ток через резистор R3 уменьшается (из-за снижения напряжения на коллекторе T2), транзистор T1 закрывается, а падение напряжения на резисторе R1 уменьшается (из-за уменьшения коллекторного тока транзистора T1). Последнее приводит к тому, что резистор R2 оказывается подключен к источнику питания. До этого напряжение на нем определялось разностью напряжения источника питания и падения напряжения на резисторе R1. Базовый ток транзистора T2 увеличивается, транзистор T2 окончательно и бесповоротно полностью открывается, симметрия нарушена, равновесия нет. Триггер принимает устойчивое состояние при котором на одном его выходе (коллектор транзистора T2) напряжение близкое к нулю, а на втором близкое к напряжению питания (что видно на верхней диаграмме).

В реальной схеме симметрия обычно не достигается и из-за разброса параметров всех элементов схемы, и из-за наличия бросков питающего напряжения при включении, и из-за шумов, которые всегда присутствуют в схеме. В этом случае особенной оказывается роль

конденсаторов C1 и C2. В начальный момент оба конденсатора заряжаются через сопротивления в цепи коллекторов транзисторов и их переходы база-эмиттер, работающие как диоды. Положим, что из-за асимметрии схемы транзистор T2 полностью открылся, а транзистор T1 закрылся. При этом конденсатор C2 через открытый транзистор T2 оказывается подключен к базовой цепи транзистора T1 (между его базой и эмиттером), при этом на обкладке конденсатора, соединенной с базой, минус. При таком включении транзистор T1 еще лучше будет закрыт – переход база-эмиттер смещен в обратной полярности, базовый ток почти полностью отсутствует. И эта ситуация поддерживается до тех пор, пока конденсатор не разрядится через резистор R3.

Но вернемся к сигналам.

Их многообразие обусловлено широким применением электроники в нашей жизни. Сегодня многие не представляют своей жизни без телевизора, компьютера или мобильного телефона. Не за горами время, когда все это объединится в одном универсальном коммуникаторе, но чтобы это время пришло, нужны те, кто совершенствует существующие и создает новые устройства. Многие специалисты приходят в свою профессию из детских лет любопытства и школьных лет любительства. И будет весьма прискорбно, если славное племя радиолюбителей не будет пополняться молодыми энтузиастами. Благо сегодняшняя электроника это и математика, и физика, и химия. Всегда можно найти свой круг интересов в этой области.