Учебное пособие 800596
.pdfпоявится 2∆U и т.д. Потенциалы, соответствующие единицам, открывают ключи, через которые на выход поступают напряжения, пропорциональные весам единиц разрядов. Так, например, если на входе присутствует код 10101, то напряжение на выходе ЦАП равно
1∙(16∆U)+0∙(8∆U)+1 (4∆U)+0∙(2∆U)+1∙∆U=21∆U
2.1.6. Информационная емкость электрических сигналов
Сегодняшнюю жизнь невозможно представить без широко разветвленных систем передачи информации. Как известно, радиосвязь осуществляется излучением в пространство и последующим приемом радиочастотной электромагнитной энергии.
Радиочастотный сигнал, как правило, информации не содержит. Для передачи полезной информации его модулируют - изменяют амплитуду, частоту или фазу в соответствии с электрическим эквивалентом сигналов первичной информации - речи, музыки, изображения, показаний датчиков системы телеизмерений и др.
Импульсная последовательность становится сигналом, когда в соответствии с передаваемой информацией изменяются ее параметры: амплитуда импульсов, их длительность или фаза. В частном случае информация может выражаться появлением импульса, изменением его длительности или временного положения относительно опорного импульса.
Различают амплитудно-импульсную (АИМ), широтноимпульсную (ШИМ), фазоимпульсную (ФИМ) и импульснокодовую (ИКМ) модуляции. При каждом виде модуляции один из параметров импульсной последовательности принимает значение, пропорциональное величине непрерывного модулирующего сигнала в момент присутствия импульса.
Способ амплитудной модуляции заключается в том, что в соответствии с модулирующим сигналом изменяется амплитуда радиочастотного сигнала. Это изменение определяется коэффициентом модуляции
m=(Umax-Umin)/(Umax-Umin)∙100%, где
Umax и Umin – максимальная и минимальная амплитуды радиочастотного сигнала. На рис 2.17а, б показаны модулирующий UM и амплитудно-модулированный сигналы UАМ.
123
Рис. 2.17
Модуляция может производиться синусоидальным и сложным сигналами, при этом полоса пропускания соответственно становится шире. В чистом виде амплитудная модуляция не применяется, так как при передаче сигнала занимается слишком широкая полоса частот и бесполезно излучается часть мощности не несущая информации.
Поскольку частота сигнала является самым устойчивым его параметром, наиболее распространена частотная модуляция. При частотной модуляции в соответствии с модулирующим сигналом изменяется частота сигнала, а его амплитуда остается постоянной. Отношение девиации ∆f (отклонение от среднего значения) частоты сигнала к частоте F модулирующего сигнала называют индексом частотной модуляции M=∆f/F.
Модулирующий UМ и частотно-модулированный UЧМ сигналы показаны на рис. 2.18 а, б.
124
Рис. 2.18
При частотной модуляции обязательно изменяется фаза сигнала, а при фазовой наряду с изменением фазы сигнала в соответствии с модулирующим сигналом, изменяется и его частота. Фазовая модуляция в системах передачи аналоговой информации не применяется, так как на фазу сигнала влияет значительно больше факторов и, в частности, для выделения в приемнике сигнала информации с минимальными искажениями необходимо точно знать начальную фазу сообщения.
При импульсной модуляции в соответствии с модулирующим сигналом информации (рис. 2.19а) изменяется один из параметров импульсной последовательности: амплитуда, частота следования импульсов или их длительность.
При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) сигнал информации UМ управляет амплитудой радиоимпульсов (рис. 2.19б). Этот вид модуляции не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости аппаратуры.
При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнал UМ управляет длительностью импульсов, а их частота и амплитуда постоянны (рис. 2.19в).
При фазоимпульсной модуляции (ФИМ) сигнал UМ управляет задержкой постоянного по длительности и амплитуде радиоимпульса относительно его положения при UM=0 (рис.2.19г).
Фазо- и широтно-импульсные виды модуляции широко распространены, т.к. помехоустойчивость аппаратуры высокая.
125
(д)
Рис. 2.19
В системе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) (рис. 2.19д) уровень каждого импульса или отсчета (выборки) аналогового сигнала представляется набором импульсов постоянной амплитуды и частоты, соответствующим двоичному коду.
Порядок расположения импульсов в этом наборе, то есть наличие или отсутствие импульсов в соответствующих местах, характеризует уровень исходного импульса (отсчета).
126
На передающей стороне для преобразования каждого уровня сигнала в серию импульсов используется блок кодирования. Полученные наборы импульсов передаются один за другим по линии связи. На приемной стороне для преобразования закодированных уровней в исходную информацию используется устройство декодирования.
ИКМ имеет сравнительно низкую чувствительность к искажениям и шумам на линиях связи. Другое ее преимущество состоит в том, что ИКМ основана на той же системе кодирования, которая используется при передаче данных в компьютерных системах, поэтому в обоих случаях можно использовать одно и то же оборудование для кодирования, декодирования, усиления и передачи сигналов.
2.1.7. Основные параметры сигнала информации
Информация есть совокупность сведений о событиях, явлениях, предметах. Совокупность символов, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. С помощью символов информацию представляют в различных видах, например, в форме электрических сигналов и многими другими способами. Физический процесс, отображающий сообщение, называют сигналом.
Сигналы, представленные в электрической форме, характеризуются определѐнными параметрами.
Общая формула для подсчѐта количества информации, содержащегося в сообщении (а), выглядит так i(a)=log(l/P(a)), где Р(а)-вероятность появления данного (дискретного) сообщения (а).
К параметрам сигнала относится длительность Тс, определяющая время, нужное для его передачи. Другой параметр, динамический диапазон Дс, равен отношению наибольшей мгновенной мощности сигнала Рмакс к наименьшей мощности, которую необходимо регистрировать при заданном качестве передачи Рмин (измеряется он обычно в децибелах):
Дс=10lg(Рмакс/Рмин).
Динамический диапазон спокойной человеческой речи составляет 30-35дБ, а симфонического оркестра – 70-80дБ.
Третьим параметром сигнала является ширина его спектра. Звуковой спектр лежит в пределах 16-2000Гц. Но передавать весь
127
этот спектр необходимо лишь, когда мы желаем обеспечить исключительно высокое качество звуковоспроизведения.
Ширина спектра обратно пропорциональна скорости изменения сигнала во времени: чем больше изменяется сигнал, тем шире спектр. Ширина спектра, например, телеграфного сигнала обычно считается равной Fc=l,5υ, где υ – скорость телеграфирования в бодах (NБод – скорость передачи, равная N символов в секунду). При υ=50Бод ширина спектра составляет 75Гц. Тогда как телевизионный сигнал занимает очень широкую полосу частот – около 6МГц.
Произведение трех основных параметров сигнала определяет его объем:
Vc=TcDcFc
Объем сигнала можно выразить в битах, если скорость передачи умножить на время передачи сигнала:
Vc=CTc
Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем. Совокупность электронных устройств, обеспечивающих передачу сигнала, называется каналом связи. Это может быть проводная, кабельная, радиорелейная, оптическая, коротковолновая или спутниковая линия связи с необходимой приемопередающей аппаратурой. Канал связи имеет свои собственные параметры, которые не совпадают с параметрами сигнала.
2.2.Усилительные устройства
2.2.1.Классификация усилителей, их основные параметры и
характеристики
В процессе преобразования и обработки информации, заложенной в электрических сигналах, часто возникает необходимость в увеличении уровня мощности сигнала, недостаточного для работы потребителя. Для этой цели используются усилители.
Усилителем сигналов называется устройство, которое позволяет при наличии входного сигнала с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке сигнал той же формы, но с большим уровнем мощности. Во время усиления энергия источника
128
питания электронной схемы усилителя, как источника энергии, преобразуется в энергию полезного сигнала с помощью активного усилительного элемента, например транзистора. Входной сигнал является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникает более мощный сигнал, передаваемый в нагрузку.
Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания, входную и выходную цепи, нагрузку.
Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:
1)по виду используемого усилительного элемента - ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;
2)по диапазону усиливаемых частот - усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио - или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ - усилители);
3)по ширине полосы усиливаемых частот - узкополосные, широкополосные усилители;
4)по характеру усиливаемого сигнала - усилители непрерывных и импульсных сигналов;
5)по усиливаемой электрической величине - усилители напряжения, тока, мощности;
6)по типу нагрузки - резистивные, резонансные (избирательные) усилители.
Работу усилителей принято оценивать рядом параметров и
характеристик:
а) Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной. В качестве таких величин могут употребляться напряжение, ток или мощность.
В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению Кu, по току Кi или по мощности Кp.
Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному, где Um, Im - амплитудные значения параметров входного или выходного сигналов:
Κ |
|
Im.вых ; |
K |
|
Um.вых |
|
|
i |
Im.вх |
|
|
u |
Um.вх |
|
|
|
|
|||
129
Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов (L,C) коэффициенты Ku, Ki являются комплексными величинами и зависят от частоты усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления по мощности Kp показывает, во сколько раз активная мощность Рвых, отдаваемая усилителем в нагрузку Rн, больше активной мощности Рвх, подводимой к его входным зажимам:
K p |
Pвых |
Ku |
Ki |
|
Pвх |
||||
|
|
|
Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах - децибелах: Kp/=10lg Kp (дБ) Ku/=20 lg Ku (дБ)
Ki/=20lg Ki (дБ).
В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл рассматривать только Ku, так как Im вх 0, т.е. Ki . В биполярных транзисторах входной ток Im вх относительно велик, и Ku, Ki, Kp могут быть использованы в одинаковой мере.
б) Амплитудно-частотная и фазочастотная характери-
стики (АЧХ, ФЧХ). Усиление сигнала как правило, сопровождается искажением его формы. Искажения делятся на линейные и нелинейные.
Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из - за этого отдельные гармонические составляющие (гармоники) сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью АЧХ, ФЧХ и переходной характеристики.
АЧХ усилителя выражает зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид АЧХ усилителей показан на рис.2.20, где Ku/ - максимальный коэффициент усиления по напряжению, а ωн и ωв - нижняя и верхняя границы интервала частот.
130
Рис. 2.20
Полосой пропускания усилителя ∆ω=ωв–ωн называют интервал частот, в пределах которого коэффициент усиления усили-
теля уменьшается по сравнению с максимальным значением в 
2
раз (на 3 дБ) и становится равным 0,707 K |
|
' |
K |
u ' |
. |
||
u |
|
|
|
||||
2 |
|||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналами от частоты. В случае пропорциональности фазового сдвига частоте сигнала, ФЧХ усилителя будет линейной, фазовых искажений не будет, при фазовых искажениях наблюдается отклонение ФЧХ от линейной зависимости (рис. 2.21).
Рис. 2.21
в) Переходная характеристика.
Переходной характеристикой усилителя Uвых(t) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при единичном скачкообразном изменении входного напряжения. Эта характеристика отражает переходные процессы в схеме и позволяет судить об искажении усиливаемого импульсного сигнала. На рис. 2.22 приведен вид переходной характеристики усилителя, где за переходную характеристику принята величина:
131
h(t) |
U |
вых |
(t) |
, |
|
Ku |
/ |
||
|
|
|
где Ku/ – максимальный коэффициент усиления по напряжению.
Рис. 2.22
Во многих случаях АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика однозначно определяют вид друг друга.
г) Коэффициент нелинейных искажений.
Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителях, а также неправильно выбранными режимами их работы. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармониками составляющих входного сигнала, которых не было в спектре входного сигнала.
При усилении синусоидального сигнала нелинейные искажения оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) Kr который измеряется на выходе усилителя и определяется соотношением:
K |
|
P2 P3 ... Pn |
100% , |
|
r |
P |
|||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
1 |
|
где Р1, Р2, Р3,…, Рn - мощности первой, второй, и т.д. гармоник выходного тока.
При чисто резистивной нагрузке усилителя, этот вид искажений оценивают соотношениями:
132