Приятель мудро решил, что он принесет осциллограф, подключит к преобразователю лампочку, и все увидит (при вас!). Если ваш приятель не знаком с современными устройствами, он может убедить вас, увидев нечто похожее на диаграмму рисунка 10.9, в том, что вам подсунули бракованную вещь. Это лишь один пример, того, как важно иметь представление о том, что вы должны или можете увидеть на экране осциллографа. Прибор очень важный и полезный в практике и любителей, и профессионалов, но не способный заменить знания, хотя и способный помочь в приобретении оных.

Немного о сигналах и линиях

Буквально, чуть-чуть. За остальными сведениями лучше обратиться к великолепной книге Гоноровского И.С «Радиотехнические цепи и сигналы». Пусть вас не пугает математика, если вы еще не знакомы с ней в должном объеме — даже пропуская формулы, вы узнаете много нового для вас и полезного. В отношении математики я всегда вспоминаю, как мне в свое время казалось, что я лучше буду понимать теорию относительности, если пойму разницу между символами Кристофеля и тензорами. Освоив тензорный анализ, я убедился, что лучше стал понимать уравнения теории относительности, но не ее самое. Только постоянная и длительная практика могла бы оказать реальную помощь в этом, а без практики я счастливо забыл и тензорный анализ, и теорию относительности.

Радиолюбитель сталкивается с линиями часто. Любые два провода, идущие от одного устройства к другому, это, фактически, линия. Коаксиальный кабель, которым подключен ваш телевизор к антенне, это тоже линия. Любая из этих линий характеризуется рядом параметров, о существовании которых и влиянии на сигналы, необходимо знать.

Самый простой случай, когда знание вам нужно, это подключение с помощью двух проводов блока питания к вашему устройству. Любые провода, как вы знаете, имеют сопротивление, которое тем больше, чем тоньше провод. Любые провода, по которым протекает ток, создают падение напряжения на них равное (закон Ома)... И без учета этого падения напряжения нельзя сказать, какое напряжение должно быть на выходе блока питания, удаленного от устройства, напряжение питания которого должно быть строго определенным. Мало того, при протекании тока, и при наличии падения напряжения, на проводах будет рассеиваться мощность, выделяемая в виде тепла. Именно с учетом этого выделяемого тепла, с учетом допустимого падения напряжения рассчитываются все силовые провода, проложенные в вашей квартире, или в вашем доме. По причине того, что питающее напряжение очень низкочастотное, другие параметры силовой проводки в доме (кроме сопротивления изоляции) не слишком важны.

Вместе с тем, если вы возьмете радиокабель, то обратите внимание на его конструкцию. Я имею в виду самый обычный радиокабель. У него есть центральная жила и металлическая оплетка. Такой кабель, как любой провод, имеет сопротивление. Но его конструкция еще и явно указывает на то, что он будет иметь некоторую емкость! Его можно представить, такое представление еще называют линией с распределенными параметрами, в виде набора равномерно расположенных по всей длине сопротивлений и конденсаторов, примерно так:

Рис. 10.10. Представление линии в виде RC цепей

Количество резисторов и конденсаторов, а так же их номиналы, я взял произвольно. Но ясно, что суммарно все эти сопротивления дадут общее сопротивление кабеля, а конденсаторы его общую емкость.

На диаграмме видно, во что превратился наш «чудненький» прямоугольный сигнал после того, как ему удалось «пролезть» сквозь эти дебри. А если добавить, что кроме очевидных сопротивления и емкости, радио-кабель может иметь «распределенную» подобным же образом индуктивность...

Искажения сигнала, как мы уже знаем, означает, что амплитудно-частотная характеристика кабеля имеет неравномерность и, видимо, ограничения в области верхней границы. Это достаточно очевидно. Менее очевидно, например, почему радиокабель маркируется как РК-50 или РК-75. Для сигналов линия, подобная кабелю, является «средой обитания», как для звука средой обитания будет помещение, в котором мы его воспроизводим. Когда я говорил об отражении звука от стен, я приводил пример того, что в результате интерференции отраженный звук может складываться и вычитаться из прямого. Проводя, может и не вполне корректную, но на мой взгляд наглядную аналогию, можно сказать, что сигнал, распространяясь в линии, подобно звуку может отражаться. Самым неприятным отражением будет для него отражение от противоположного конца линии. Как звук имеет длину волны, так и сигналы в линии имеют свою длину волны. И кабели принято характеризовать волновым сопротивлением. Именно волновое сопротивление кабеля отражено в его названии. Если сопротивление нагрузки линии, R6 на рисунке выше, равно волновому сопротивлению кабеля, то кабель ведет себя наилучшим образом по отношению к

сигналу в части отражения от другого конца. В этом случае через линию передается максимальная мощность сигнала.

Рис. 10.11. Импульс в несогласованной линии

Таким образом, при использовании линии в своих разработках вам обязательно нужно иметь представление о том, как линия повлияет на переносимые через нее сигналы, будь то постоянный ток, радиосигнал или импульсная последовательность. Даже щуп вашего осциллографа, вместе с кабелем, соединяющим его с осциллографом, имеет некоторую емкость. Если вы касаетесь точки на схеме таким щупом, вы вносите эту емкость в схему, которую изучаете или исследуете. Вносимая вами емкость может в корне изменить работу схемы. Вы увидите на осциллографе то, чего нет в правильно работающей схеме. Не забывайте об этом!

Рис. 10.12. Импульс в согласованной линии Отражение сигнала от дальнего конца линии находит очень интересное применение, его

используют для исследования линии. Подавая в линию редкие и очень короткие импульсы, по времени прихода отражения можно судить о длине линии. Собственно прибор, используемый для этой цели, устроен так, что вам не нужно «судить-рядить», вы получаете точное значение.

Кроме того, отражение происходит не только от другого конца линии. Как вы помните из школьного курса физики свет отражается и преломляется на границах раздела сред. Или другими словами, в местах неоднородности среды распространения света. Но свет, как мы договорились, это тоже радиоволна, но очень большой частоты. Значит и любая волна может иметь те же свойства. Я имею в виду, что, отправляя короткий сигнал в линию для определения ее длины по отражению от другого конца, мы можем получить не одно отражение, а ряд отражений во всех местах, где линия перестает быть однородной. Это и места соединений линии (пайка, скрутка и т.д.), и места повреждения линий: обрыв, короткое замыкание. Как радиолокатор (еще одно применение отражения, теперь уже радиоволны) ловит отражение от летящего самолета, так и прибор для исследования мест повреждения кабеля ловит отражение импульса и по времени его прихода вычисляет расстояние до повреждения, а по виду отраженного импульса дает нам представление о характере повреждения.

Вот так знание свойств линий, знание того, что мы увидим на экране осциллографа, может помочь отыскать повреждение в кабеле, закопанном глубоко в землю. И исправить его!

Больше об амплитудной модуляции

Когда речь заходит об амплитудной или частотной модуляции, то предмет разговора невольно связывается с радио. Некогда в радиовещании применялась только амплитудная модуляция. Позже ей на смену пришла частотная модуляция. Но в диапазонах длинных, средних и коротких волн амплитудная модуляция радиосигнала не сдала своих позиций.

Пример того, как выглядит амплитудно-модулированный радиосигнал приводился в начале книги. Напомню, что в таком радиосигнале есть несущая частота – переносчик и разносчик информативной составляющей радиосигнала, последнюю еще называют «огибающей». Аналитическая форма записи для несущей частоты выглядит примерно так:

fрадио = A*sin(ώрt)

Здесь fрадио – это функция, изменяющаяся по закону синуса с частотой ώр. Но функция синуса, о чем мы прекрасно осведомлены, изменяется от -1 до +1, тогда как сигналы могут иметь разные значения амплитуды. Эта неприятность устраняется с помощью постоянной, которая и будет амплитудой результирующего сигнала – A.

Построить такую радиостанцию не представляет большого труда: генератор на частоту ώр = 2πfр и усилитель мощности, но для ее использования потребуется получить разрешение. Однако главная проблема не в этом. Что услышит некто, настроившись на волну нашей радиостанции, скажем «Полная Свобода!»? Правильно, полную свободу фантазировать о содержании. Это как в восточной мудрости – увидеть белого дракона на белом полотне.

Чтобы добавить хоть какое-то содержание к излучаемой нами свободе, мы можем с точки зрения математики записать нашу «радио» функцию в таком виде:

Fрадио = A(t)*sin(ώрt)

Я заменил амплитуду A на новую функцию времени, которая и должна нести содержание. Например, это будет сигнал с частотой 400 Гц, который можно часто слышать по телевизору при передаче технической таблицы для настройки телевизора. Это не Скрябин, да, но хоть

какая-то польза.

Сигнал с частотой «содержания» воздействует на нашу несущую частоту, заставляя ее амплитуду меняться (он сам стал амплитудой!). Как может выглядеть такой процесс? Попробуем. Но начнем с простого. С ответа на вопрос, как мы поступим с информационным низкочастотным сигналом.

Рис. 10.13. Низкочастотный усилитель радиосигнала

Представленная на рисунке диаграмма должна определять амплитуду несущей частоты в любой момент времени, но так, чтобы последняя не была отрицательна. Теперь мне приходит в голову идея использовать наш низкочастотный усилитель в качестве источника питания для усилителя высокой, несущей, частоты. Ведь сигнал усилителя может оказаться чувствителен к изменениям питающего напряжения. Недаром принимают меры к стабилизации этого напряжения. А мы поступим наоборот!? Возможно, это авантюра, но намерения у меня добрые.

Рис. 10.14. Попытка создания амплитудно-модулированного сигнала Увы, хотя есть два сигнала, но результат не похож на модуляцию.

Вместо формирования амплитуды несущей частоты низкочастотный сигнал перемещает рабочую точку со своей частотой, не меняя величины амплитуды несущей. Идея была хороша, но попытка неудачна. А попробовать стоило.

Впрочем, и последующие попытки, как я ни старался, не дали лучших результатов, хотя диаграмма при одной из них была совсем похожа на настоящий успех, но схема, с которой она была получена, явно получилась неработающей.

Для достижения эффекта амплитудной модуляции информационный сигнал должен так воздействовать на усилитель несущей частоты, чтобы изменять коэффициент усиления пропорционально своему закону изменения A(t) (в формуле для радиочастоты).

Я иногда жульничаю, сделаю это и сейчас. Я запишу уравнение, которое и использую для получения диаграммы. Идея уравнения в том, что синусоидальный низкочастотный сигнал меняется от +1 до -1, а амплитуда результата не должна быть отрицательной, следовательно, нежно добавить единицу. В остальном все будет соответствовать уравнению для радиосигнала.

Вот и результат, который можно показать, чтобы продолжить разговор об амплитудной модуляции. Попробуйте в уравнении ниже изменить добавленную единицу на 2, например, и вы получите другую глубину модуляции.

Рис. 10.15. Получение амплитудно-модулированного сигнала

На рисунке достаточно отчетливо можно увидеть и «несущую», и «огибающую», которые сформированы двумя источниками переменного напряжения V2 и V3. Что и требовалось в данный момент продемонстрировать, чтобы с легким сердцем перейти к тому, на чем я, собственно, хотел остановиться.

Амплитудная модуляция все реже применяется в радиовещании, ее теснит частотная модуляция – воздействие информационным сигналом не на амплитуду несущей, а на ее частоту. Есть и другие виды модуляции, например, фазовая модуляция: если полностью записать функцию синусоидального сигнала, то в синус войдет кроме частоты еще и фаза, о которой я время от времени упоминаю.

А еще я хочу сказать, что самый простой способ амплитудной модуляции в настоящее время используется совсем не в радиотехнике, а в дистанционном управлении бытовыми приборами: телевизорами, CD- и DVD-проигрывателями и т.д. Речь идет о пультах управления. Каким образом организована работа обычного пульта управления телевизором? Мы знаем, что для управления используется инфракрасное излучение. Самая простая схема может выглядеть так – посылаем ИК луч, который улавливает фотоприемник, и выполняем включение прибора. Повторяем эту команду и выключаем прибор.

Подобное решение можно реализовать, но у него два существенных недостатка. Для создания ИК луча достаточной силы, чтобы преодолеть несколько метров и быть еще способным воздействовать на фотоприемник, необходимо использовать оптику, фокусирующие линзы. И второе, ИК излучение исходит не только от пультов управления, но от любого нагретого предмета, в частности, и от человека, температура которого выше

температуры воздуха в комнате. Телевизор включался бы и выключался беспрерывно под воздействием этих излучений. Поэтому в пультах дистанционного управления давно уже использую амплитудную модуляцию, где несущая – это последовательность импульсов с частотой в несколько килогерц (на практике это значение может меняться от 20 до 500 кГц), а огибающая сформирована информационной последовательностью импульсов. Получить амплитудную модуляцию при таких «вводных», мне гораздо легче.

Рис. 10.16. Существо амплитудной модуляции в ИК пультах управления

Это только только одно из возможных решений, где информацию несут импульсы (in) от источника V3, а несущая формируется генератором V2. На диаграмме, в отличие от реальных, все информационные импульсы одинаковы. В действительности они сформированы из весьма, порой, сложной последовательности, определяемой либо только изготовителем, либо изготовителем в соответствии с рекомендациями некоторых стандартов. Но даже такой простой сигнал, как на диаграмме выше, может успешно включить и выключить устройство. Фотоприемник управляемого устройства следует включить так, чтобы медленно изменяющееся ИК излучения отсеивались, а распознавались только импульсы ИК излучения с заданной частотой, на диаграмме около 10 кГц. Кроме задачи лучшего распознавания сигнала, такое построение амплитудной модуляции часто позволяет решить и вторую задачу – применение достаточно маломощных ИК излучателей (светодиодов ИК диапазона) без оптики. Для этого в качестве импульсов несущей частоты используют короткие импульсы с большой скважностью похожие на такие: