Глава 10. Сигналы, немного больше

То, что мы наблюдаем с помощью осциллографа при создании или ремонте электронных устройств, может быть полезно, если мы знаем, какой вид сигнал должен иметь в этом месте электрической цепи, и будет бесполезно, если то, что мы видим, никак не соотносится с нашими знаниями о схеме. Осциллограмма может помочь решить проблему, но может создать дополнительные трудности при полном ее непонимании или неправильной трактовке увиденного. Следовательно, прежде чем приступать к исследованию схемы, следует представлять ее работу хотя бы в общих чертах, особенно в части, относящейся к наблюдениям с помощью осциллографа. Осциллограф особенно удобен для наблюдения периодических сигналов. Наблюдение непериодических сигналов значительно труднее.

Прямоугольные импульсы

При работе со схемами усилителей звуковой частоты чаще других используют синусоидальные сигналы. Причина, по которой это происходит, связана с математикой. Функция синуса относится к элементарным, хорошо изученным и не разлагающимся на более простые. Например, имея дело с сигналом прямоугольной формы, мы можем его представить, используя разложение Фурье, в виде совокупности (пусть даже бесконечного числа) элементарных тригонометрических функций. Такое представление любых сигналов, когда мы работаем с усилителями, позволяет рассматривать нелинейные искажения, если разложить сигнал на выходе усилителя на составляющие, набор которых может даже помочь в выявлении причин искажения сигнала. Такой метод называют еще гармоническим Фурье анализом. Название «гармонический анализ» указывает на то, что при разложении исходной функции использовались функции синуса и косинуса. Само преобразование не требует этого, мало того, могут быть использованы любые функции, удовлетворяющие определенным условиям. Но в работе с электрическими цепями гармонический анализ стал общепринятым методом анализа нелинейных искажений. Ниже в этой главе я постараюсь представить некоторые практические эксперименты, которые помогли бы математический аспект преобразований Фурье перенести в плоскость работы с электрическими схемами, и именно в практическую плоскость.

Первый эксперимент касается оценки частотных, заметьте не нелинейных, а частотных, искажений, возникающих в усилителе с помощью генератора прямоугольных импульсов.

Посмотрим, как реагируют на прохождение прямоугольных импульсов разные электрические RC цепи (это же относится и к LC, и к LR, и к LCR цепям).

Для этого в программе Qucs мы будем пользоваться источником прямоугольных импульсов и такими компонентами, как резисторы, конденсаторы и индуктивности. Если в вашем арсенале приборов есть осциллограф, генератор прямоугольных импульсов или функциональный генератор, то было бы очень полезно повторить эти простые опыты на макетной плате.

Рис. 10.1. Наблюдение сигнала прямоугольной формы в RC цепи

На рисунке представлена обычная интегрирующая RC цепочка из резистора R1 и конденсатора C1. Сопротивление R2 — это сопротивление нагрузки, скажем, входное сопротивление осциллографа. Когда мы говорили о частотных свойствах усилителей, рассматривали амплитудно-частотные характеристики каскадов усилителя, то каждый из них можно было рассматривать как идеальный, не частотно-зависимый усилитель, к которому добавляется подобная эквивалентная RC цепь.

Очень красивые прямоугольные импульсы на входе цепи (input) на выходе (output) превращаются в не менее красивые фигуры, но их уже нельзя назвать прямоугольниками. «Затянутые» фронты сигнала прямоугольной формы, и передний и задний, свидетельствуют именно о наличии интегрирующей RC цепи. Мы можем двояко рассматривать этот процесс. Как переходной процесс, связанный с зарядом конденсатора при переходе испытательного сигнала от нуля к заданному напряжению, в данном случае к одному вольту, когда в начальный момент времени конденсатор полностью пропускает ток, как бы «закорачивая» выход, но по мере своего заряда перестает пропускать ток, а напряжение на нем возрастает до величины, обусловленной делителем напряжения R1R2. При обратном переходе испытательного сигнала разряд конденсатора «затягивает» процесс перехода к нулевому напряжению. И мы можем рассматривать этот процесс с другой точки зрения. Изменение формы сигнала на выходе происходит под влиянием RC фильтра (R1C1), который «срезает» высокие частоты. Делитель переменного напряжения, коэффициент деления, R1C1 зависит от частоты: на низких частотах это одно значение, на высоких, другое. Изменение величины высокочастотных составляющих в спектре исходного сигнала, их уменьшение, и вызывает

изменение формы выходного сигнала.

Для грубой оценки частотных свойств испытуемого устройства можно считать, что если на экране осциллографа вы наблюдаете прямоугольные импульсы с частотой, положим, 1 кГц, то ваше устройство вполне успешно работает до частоты 10 кГц. Это утверждение не бесспорно, советую вам проверить его либо в программе Qucs, либо на макетной плате, используя вначале RC цепи и испытывая их прямоугольными импульсами с последующим построением АЧХ цепи, а затем используя однокаскадные усилители. Практика подобных наблюдений поможет вам в последствии быстрее оценить частотные свойства реальных устройств.

А теперь поменяем местами резистор R1 и конденсатор C1, сигналы примут вид:

Рис. 10.2. Прохождение прямоугольных импульсов через дифференцирующую цепь

Да, такая RC цепь называется дифференцирующей. И выходной сигнал (output), как можно видеть, отличается и от исходного сигнала, и от предыдущего. Дифференцирующая цепь как бы укоротила импульсы, превратив их в короткие и остроконечные. И в этом случае рассматривать процесс можно с двух точек зрения, как и предыдущий. Только теперь фильтр R1C1 «срезает» низкие частоты, нехватка которых в выходном сигнале обуславливает его форму. Касательно же переходного процесса, в начальный момент времени, когда испытательный сигнал переходит с нуля к напряжению в один вольт, конденсатор пропускает ток, напряжение на резисторе R1 получается равным одному вольту, но следом идет заряд конденсатора, после которого конденсатор перестает пропускать постоянный ток. За время от нуля до 1 мС (1e-3 на диаграмме) источник напряжения V1 представляет собой источник

постоянного напряжения равного 1 В.

А вот, что получится, если прямоугольные импульсы попадут в LC цепь.

Рис. 10.3. LC контур и прямоугольные импульсы

Я нарисовал цепь, выделив ее основные (для рассказа) компоненты: L и C.

Выходной сигнал (output) на диаграмме почти не виден. Но, что там с ним... как-то он размыт, что ли? Уберем входной сигнал и выделим только его.

Рис. 10.4. Автоколебания в LC контуре

Такой сигнал возникает в LC цепи с параллельно соединенными элементами в тот момент, когда входной сигнал изменяется от нуля до максимального. Он очень похож на затухающий синусоидальный сигнал, которым и является. Частота этого сигнала определяется величиной индуктивности и емкости и носит название собственной частоты колебаний LC контура. Источник прямоугольного сигнала в этот момент времени ведет себя подобно цепи, состоящей из выключателя и батарейки, и именно тогда, когда выключатель включается, а

напряжение, подаваемое в цепь, меняется от нулевого до напряжения питания.

Таким образом, повторю еще раз, исследуя нашу цепь с помощью сигнала прямоугольной формы, мы можем сделать некоторые заключения о характере этой цепи. Рассмотрим диаграмму для интегрирующей цепи. В момент изменения импульса от нуля до максимума напряжение на конденсаторе C1 равно нулю, а затем, по мере заряда конденсатора, увеличивается почти до максимально напряжения. Это значение ограничено, как вы сами заметили, делителем напряжения на резисторах R1 и R2, и вы даже можете рассчитать это напряжение.

Поведение конденсатора на следующей схеме, с дифференцирующей цепочкой, иное. В начальный момент (импульс меняется от нуля до максимума) напряжение на выходе равно максимальному, а затем спадает по мере заряда конденсатора. А когда импульс переходит от максимума к нулю, заряженный им конденсатор начинает играть роль источника тока, напряжение на котором противоположно по знаку импульсу. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R1, через который ток теперь течет в обратную сторону.

Когда мы говорили об усилителях мощности звуковой частоты, то немного внимания уделили нелинейным искажениям, возникающим в них. Нелинейные искажения «искажают» спектр входного сигнала, который, как я уже говорил, с помощью методов гармонического анализа Фурье можно представить в виде совокупности, их называют гармоническими составляющими сигнала, синусоидальных сигналов. Эти дополнительные сигналы мы воспринимаем как «обертоны» — звуки, добавляющие тембровую окраску к чистым тонам. С их помощью мы отличаем звук флейты, от звука трубы, а звучание клавесина от пианино. Чуть ниже мы попробуем не раскладывать исходный сигнал на составляющие, а наоборот, с помощью нескольких синусоидальных сигналов «собрать» сигналы другой формы. А сейчас я хотел немного добавить к рассказу об искажениях в усилителях мощности.

Транзисторные усилители кроме нелинейных характеризуются еще одним видом искажений – динамическими. Эти искажения могут возникать в транзисторном усилителе мощности при глубокой отрицательной обратной связи. Ведь, чем она глубже, тем лучше. Лучше параметры усилителя: и выше стабильность, и меньше нелинейные искажения. Но...

при очень глубокой общей отрицательной обратной связи из-за запаздывания сигнала, проходящего от входа усилителя к его выходу и обратно, в какой-то момент усилитель, как бы оказывается не охвачен обратной связью, его усиление выше, и входной каскад может перегружаться. Такого рода искажения придают транзисторному усилителю характерное звучание, названное «транзисторным». Заметить и оценить эти искажение может помочь генератор прямоугольных импульсов. В момент перехода прямоугольного импульса от нуля к максимуму на выходном сигнале усилителя можно заметить резкие всплески, они-то и могут обнаружить перегрузку входного каскада.