Рис. 10.5. Испытания УМЗЧ с помощью прямоугольных импульсов

Получение импульсов некоторых видов из простых сигналов

А сейчас посмотрим, верно ли было мое утверждение, что периодические импульсы разного вида можно получить складывая синусоиды с разными частотами, амплитудами и фазами, но, конечно, вполне определенные для каждого вида сигнала.

Программа Qucs позволяет использовать множество источников синусоидальных сигналов, параметры которых легко можно изменить в диалоге свойств источника. Обратите внимание на наличие такого параметра, как начальная фаза сигнала. Изменив этот параметр легко превратить синусоидальный сигнал в косинусоидальный.

Прямоугольные импульсы хорошей формы получаются от сложения большого количества составляющих. Но провести эксперимент я предлагаю с сигналом более простого вида.

Рис. 10.6. Получение пилообразного сигнала из синусоидальных

Сигнал на диаграмме, согласитесь, по форме очень напоминает пилообразный, хотя получен всего из четырех синусоидальных сигналов. И обратите внимание на частоты, амплитуды и фазы, показанные на рисунке для генераторов (источников переменного напряжения), участвующих в эксперименте. Если мы будем увеличивать их количество, сигнал, я полагаю, все больше будет приобретать характерный пилообразный вид.

Впервой книге я уже описывал подобный эксперимент, а в качестве его продолжения было предложено заменить генераторы синусоидального напряжения на генераторы прямоугольных импульсов. Подобная замена, возможно, и спекулятивная, обусловлена тем, напомню, что разложение в ряд Фурье функции произвольного вида возможно с применением не только функций синуса и косинуса, но любых, удовлетворяющих условию ортонормирования. Я не проверял это условие, не готов утверждать правомерность и математическую правильность полученного результата, но эксперимент с прямоугольными импульсами показался мне любопытным.

Вэтом случае вид полученного сигнала несколько меняется.

Рис. 10.7. Вид сигнала с генераторами прямоугольных импульсов

Этот вариант эксперимента я привел сейчас для того, чтобы рассказать о еще одном способе получения сигналов более сложного вида, чем прямоугольные. Как их получить в программе Qucs без построения многостраничной схемы, я не знаю. Возможно, это невозможно. Но идея, в общем-то, простая. Для получения пилообразного напряжения предположим, что в равные промежутки времени мы будем увеличивать напряжение от источника постоянного напряжения на равные, но небольшие, значения, пока не достигнем напряжения источника. После чего снизим напряжение до нуля, и будем повторять эти операции многократно.

Как бы это сделать в программе Qucs... Сейчас подумаю...

Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. Ничего умнее, чем заменить генераторы периодических импульсов в предыдущей схеме на генераторы одиночных импульсов, я не придумал. Результат этой работы следующий.

Рис. 10.8. Вид предыдущего сигнала в виде ступенек

Не самое хорошее решение, но оно дает представление о том, как форму сигнала, в сущности любого вида, можно представить ступенчатой функцией. Чем меньше ступеньки, то есть, короче шаг и меньше прирост напряжения, чем больше всего ступенек, тем ближе вид функции к заданному. Такой метод генерации сигналов помогает решить вопрос по созданию генераторов не только очень сложной формы, но может оказаться полезен и для замены генераторов простых форм, например, синусоидальных сигналов. Естественно возникает вопрос, а зачем? Зачем генератор синусоидального сигнала, который мы можем выполнить по вполне привычной схеме, создавать таким непонятным способом?

В первую очередь такой подход при создании генераторов позволяет использовать один метод для создания сигналов разных видов. Так функциональные генераторы кроме синусоидальных сигналов генерируют и треугольные сигналы, и прямоугольные сигналы. А в практической деятельности могут потребоваться сигналы и других форм, для которых хотелось бы иметь единый механизм формирования выходного сигнала.

Кроме того, представления сигнала в виде ступенчатой функции помогают справиться и с другими возникающими проблемами. Самым наглядным примером этого может служить задача создания преобразователя постоянного автомобильного напряжения (напряжения автомобильного аккумулятора) в переменное напряжение, скажем, 220 В со свойствами силового, то есть, с частотой 50 Гц. Самое простое решение, которое сразу приходит в голову, применить схему генератора синусоидального напряжения с частотой 50 Гц и добавить к нему усилитель мощности.

Но мы уже видели, что мощность, рассеиваемая на коллекторах транзисторов, связывает

нам руки по созданию усилителей мощности с любыми желаемыми выходными параметрами. Чем больше мощность, отдаваемая в нагрузку, тем сложнее решение по отводу тепла от выходных транзисторов.

Чем же в этом случае может помочь генератор ступенчатого напряжения?

Первая итерация синусоиды с помощью ступенчатой функции выглядит как периодическая последовательность разнополярных прямоугольных импульсов.

Рис. 10.9. Первая итерация силового напряжения

В таком решении оконечные транзисторы работают в импульсном режиме, и если импульсы имеют «хорошие» фронты, то мощность рассеиваемая выходными транзисторами существенно меньше, чем при работе с синусоидальным сигналом. Замена непрерывной работы транзисторов на импульсную и дает тот выигрыш, который позволит создать легкое и компактное устройство. Большая часть потребителей тока такого преобразователя имеет силовой трансформатор на входе блока питания, который в данном случае играет роль фильтра, преобразующего прямоугольные импульсы в синусоиду. Или подобный фильтр можно поставить на выходе конвертера, как это делается в бесперебойных устройствах питания большой мощности (UPS). При тех мощностях, на которые они рассчитаны, обычные преобразователи потребовали бы «перевозных» систем охлаждения.

Представьте себе ситуацию – вы купили для своего автомобиля преобразователь на ~220 В, чтобы включать дорогостоящий ноутбук без опасений, что вы сделали что-то не так. Вы человек осторожный, прежде, чем включить ноутбук, хотя продавец уверял, что именно так и следует поступить, вы решили посоветоваться с приятелем, большим любителем и знатоком.