ShPORA_PO_RADIO
.docx
1 Предмет радиоэлектроники. Последнее десятилетие ознаменовалось бурным развитием радиотехники и электроники. Это ярко проявляется в освоении космоса, в системах теле- и радиовещания, связи, медицине и т.д. Сегодня трудно представить себе какую-либо область деятельности человека, где не применялись бы те или иные радиоэлектронные приборы. Привычными стали нам самые быстродействующие компьютеры, сотовая связь, плоские телевизоры, цифровые системы записи и воспроизведения звука, автоматизированные бытовые приборы и т.д. Радиоэлектроника развивается столь стремительно, что даже специалисту трудно следить за изменением ее элементной базы применений. Следует отметить, что радиоэлектроника в основном ориентирована на обеспечение приема, обработки (преобразования) и передачи той или иной информации в виде электрических сигналов. К радиотехнике относятся все виды радиосвязи, начиная с простейшего детекторного приемника до систем космической связи. Достижения в области электроники способствуют развитию радиотехники. Сейчас в ней можно выделить множество самостоятельных отраслей - телевидение (в том числе цифровое), радиосвязь, радиовещание, системы сотовой связи, радиотелеметрия, радиолокация, радиоастрономия, и т.д. Радиотелеметрия как область радиотехники занимается измерениями на расстоянии с передачей результатов измерений при помощи радиосигналов. В радиолокационных системах измерение расстояния до объекта наблюдения осуществляется с помощью радиосигналов, отраженных от объекта наблюдения. В отдельных случаях, например, в радионавигации и радиогеодезии применяются специальные радиосигналы, параметры которых несут информацию о направлении, расстоянии и местонахождении объекта, на котором установлен передатчик - "маяк". В какой бы области не использовалась радиотехника, она неразрывно связана с радиосигналами, преобразованием, обработкой, хранением этих сигналов. Под радиосигналами во всех областях использования радиотехники понимаются сигналы, которые несут информацию с помощью электромагнитных волн. Для передачи информации обычно используются высокочастотные электромагнитные волны (радиочастоты сотни кГц и более). Это объясняется тем, что, во-первых, на высоких частотах легче обеспечить оптимальные условия для формирования и излучения электромагнитных волн; во-вторых - чем выше частота передаваемого радиосигнала, тем больше число каналов связи можно "размещать" в этом диапазоне волн. В настоящее время освоены практически все диапазоны радиочастот. В ближайшем будущем будет полностью освоен оптический диапазон. Радиотехника на сегодняшний день охватывает не только связь в узком смысле слова и, в связи с этим, утратило смысл выражение "радио - это связь без проводов", так как независимо от наличия или отсутствия проводов информация передается с помощью электромагнитных волн. Радиосигналы могут передаваться по волноводам, по коаксиальным кабелям и, наконец, по одиночному проводу, который может с успехом использоваться в качестве направляющей электромагнитных волн сверхвысокой частоты. Курс "Радиотехника" базируется на материалах курсов физики, электротехники и математики. В педагогических вузах этот курс охватывает такие направления, как электронные приборы, распространение радиоволн, антенно-фидерные устройства, устройства записи и воспроизведения звука, радиоприемные устройства, телевидение, радио измерения и т.д. Основное внимание в данном учебном пособии уделено физическим процессам, лежащим в основе действия радиоэлектронных приборов и устройств. В книге содержатся также материалы, посвященные современным способам и средствам связи. В связи с ограниченным объемом курса ряд теоретических вопросов изложен бегло, а некоторые разделы носят информативно-ознакомительный характер. Тем не менее авторы надеются, что данное пособие будет способствовать повышению общего уровня технических знаний учителя, расширению его кругозора в области современных средств связи. Разделы РТ 1.РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН 2. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 4. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 5. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА 6. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ. МЕТОДЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ МОДУЛЯЦИИ 7. ЗАПИСЬ.И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА 8. ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ 9. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СВЯЗИ
|
2 Информационный обмен 1.1. Радиотехнические сигналы Электрические сигналы служат для передачи какого-либо сообщения. Между сигналом и сообщением должно быть однозначное соответствие так, чтобы по принятому сигналу можно было восстановить переданное сообщение. Для передачи сообщения можно использовать практически любые известные виды сигналов. Классификация сигналов. В общем случае все известные виды сигналов можно разделить на естественные и искусственные. Искусственные сигналы - сигналы, выработанные специальными электронными или механическими устройствами для передачи информационных сообщений. Сигналы бывают регулярные и нерегулярные. Регулярные сигналы подразделяются на периодические, почти периодические, импульсные. Нерегулярные сигналы - это случайные сигналы. Случайные сигналы, в свою очередь, могутбыть стационарными. Регулярные сигналы можно заранее.предсказать (описать). Они сами по себе информацию не несут, но способствуют передаче информационных сигналов. Случайные сигналы заранее предсказать нельзя, так как время появления и форма их неизвестны. Стационарный сигнал отличается от случайного тем, что его форму можно предсказать, а время появления нельзя. Простейшими регулярными периодическими сигналами являются гармонические сигналы, которые описываются с помощью функции периодических сигналов: косинусоид ал ьных и синусоидальных: В общем случае любой сигнал представляет собой изменяющуюся во времени электрическую величину (напряжение, ток, напряженность поля и т.д.) и может быть представлен некоторой функцией времени. На практике желательно описывать свойства сигнала как можно более простым выражением, выбрав для этого такие параметры сигнала которые просто и в то же время достаточно полно характеризовали бы сигнал с точки зрения условий его передачи. Основными параметрами сигнала являются его длительность, ширина спектра сигнала и динамический диапазон. Длительность сигнала определяет время, в течение которого занимается линия передачи информации, т.е. чем она больше, тем на большее время занимается линия передачи. Динамический диапазон определяет отношение пиковой (наибольшей) мощности сигнала к наименьшей мощности. Значение наименьшей мощности определяется уровнем помех. Очевидно, что для удовлетворительной передачи требуется, чтобы наименьшая мощность сигнала несколько превышала мощность помех. Ширина спектра сигнала определяется его формой и длительностью. Чтобы понять смысл спектра сигнала, нам придется рассмотреть сложные периодические сигналы. Сложный сигнал удобно анализировать с помощью ряда Фурье, представляющего сигнал в виде бесконечной суммы гармонических составляющих: Совокупность амплитуд гармонических составляющих ск называется спектром амплитуд; совокупность величин- спектром фаз. Обычно интересуются только спектром амплитуд и для краткости его называют просто спектром; если речь идет о фазах, то это оговаривают специально.
|
3 . Сверхдлинные волны. Для этих волн всегда выполняется условие ω2< Ne2 /ε0 m, поэтому они при любом угле падения отражаются от ионосферы - днем от слоя D и ночью от слоя Е, мало поглощаясь в них. Для таких волн и Земля является хорошим проводником, следовательно, их отражение от поверхности Земли также происходит практически без потерь. Такие волны распространяются за счет многократных отражений от ионосферы и от поверхности Земли, образуя пространственную волну. Кроме того, при излучении радиоволн антенной возникает также поверхностная волна, которая хорошо огибает кривизну земной поверхности и распространяется далеко за пределы прямой видимости. На достаточно больших расстояниях (более 1000км) поверхностная волна слабее, чем пространственная, и может не приниматься во внимание, а радиосвязь на большие расстояния в диапазоне сверхдлинных волн осуществляется пространственной волной (рис.1.4, а). Отметим, что сверхдлинные волны мало поглощаются морской водой и могут служить при организации радиосвязи с подводными лодками. Длинные (километровые) волны. Условия распространения длинных волн аналогичны условиям, указанным выше, так как они мало отличаются по своим свойствам от сверхдлинных волн. Средние (гектометровые) волны. Эти волны распространяются также с образованием пространственной и поверхностной волн. В связи с тем, что частота этих волн выше частоты длинных волн, они отражаются не от нижней границы ионосферы (от слоя О), а проникают вглубь ионосферы (до слоя Е), что приводит к увеличению длины пути распространения волн в ионосфере и, соответственно, к увеличению потерь энергии волны. Средние волны сильнее ослабляются в ионосфере в дневное время, когда нижняя граница ионосферы за счет интенсивной солнечной ионизации опускается, что дополнительно удлиняет путь радиоволны в толще ионосферы. Дальность связи в дневное время значительно меньше, чем ночью (ночью дальность связи 1000 км и более), так как радиосвязь осуществляется только за счет поверхностных волн. Поверхностная волна в этом диапазоне распространяется дальше, чем на коротких волнах, и позволяет обеспечить радиовещание на расстояниях 300...400 км. В ночное время в организации связи участвуют и пространственная (ионосферная) и поверхностная (земная) волны, и они могут быть приняты на больших расстояниях от передатчика. В результате интерференции этих волн возникают замирания, которые проявляются в виде случайных изменений интенсивности результирующего сигнала (в радиоприемниках - в виде случайных изменений громкости звука). Короткие (декаметровые) волны. Эти волны могут отражаться от ионосферы, если угол падения превышает критическое значение αпред, так как для них выполняется условие ω2> Ne2 /ε0 m. Короткие волны также проникают глубоко в толщу ионосферы, однако из-за высокой частоты волн этого диапазона их потери мощности невелики. Поверхностные волны на этих частотах быстро затухают, поэтому дальность радиосвязи при помощи поверхностных волн не превышает нескольких десятков километров. В диапазоне коротких волн связь осуществляется исключительно с помощью пространственной волны. Рассматриваемый диапазон волн отличается от других диапазонов наличием зон молчания (рис. 1.4, б), так как излучаемая волна может отражаться от ионосферы только при угле падения, превышающем критическое значение αпред, и ближайшая точка уверенного приема находится за пределами достигаемости поверхностных волн. Зону молчания называют также "мертвой" зоной. Метровые и дециметровые волны. Электромагнитные волны длиной менее 10м называют ультракороткими (УКВ). Этот диапазон представляет огромный практический интерес, так как только на УКВ возможно телевидение и высококачественное радиовещание с использованием частотной модуляции. Частота метровых и дециметровых волн настолько высокая, что они практически не отражаются от ионосферы, поэтому радиосвязь на этих частотах может быть осуществлена только с помощью поверхностных волн. Метровые волны в процессе распространения практически не дифрагируют и распространяются вдоль поверхности Земли прямолинейно. Дальность связи при этом ограничивается расстоянием прямой видимости и может быть увеличена только за счет высоты передающей антенны, т.е. чем выше антенна и мощнее передатчик, тем больше расстояние до пункта уверенного приема радиосигнала (рис. 1.4, в). Ультракороткие волны могут распространяться за счет рассеяния в тропосфере и ионосфере и за пределами прямой видимости. Однако для этого требуются очень мощные передатчики и сложные антенные сооружения. Сантиметровые и более короткие волны. Эти волны распространяются также как и метровые волны в пределах прямой видимости. Они позволяют использовать для передачи сигналов сообщения остронаправленные антенные устройства. Миллиметровые и более короткие волны чувствительны к воздействиям космических шумов и шумов ионосферы. На волны оптического диапазона оказывают влияние атмосферные шумы и помехи, и в связи с этим для передачи радиосигналов оптического диапазона применяют специальные линии - волоконно-оптические линии связи. |
4 Амплитудная модуляция
7 Структурная схема канала связи
10 Свойство p-n- перехода Когда "лишний" электрон покинет свое место, атом примеси оказывается ионизированным. Такие примеси называются донорными. Проводимость полупроводника с донорной примесью обусловлена электронами. Она получила название n-проводимости, а полупроводник с такой примесью - полупроводник п-типа, В полупроводниках п-типа электроны являются основными носителями заряд Дырки, участвующие в образовании проводимости собственного полупроводника являются неосновными носителями электрон, превращающий его в отрицательный ион. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то дырки начинают перемещаться по полупроводнику, перенося электрический ток. Такая проводимость получила название дырочной проводимости или проводимости р-типа. Примесь, обуславливающая дырочную проводимость, называется акцепторной примесью. Основными носителями заряда в таких полупроводниках являются дырки, а неосновными носителями заряда - электроны. Электронно-дырочный переход. Если в полупроводник n-типа ввести акцепторную примесь с большей концентрацией, то получим полупроводник p-типа. При этом образуется узкая контактная область между полупроводниками разного типа проводимости, получившая название р-п-перехода. Ширина этой области не превышает одного микрона. Электронно-дырочный переход образуется благодаря переходу избыточных зарядов из одного типа полупроводника в другой. Действительно, в полупроводнике p-типа избыток электронов, и электроны приграничной области переходят в полупроводник n-типа, где занимают вакантные дырки, образуя объемный слой отрицательных ионов. Таким образом происходит и переход дырок из полупроводника p-типа в полупроводник с электронной проводимостью, образуя объемный слой положительных ионов вблизи границы перехода
После образования заряженных слоев диффузия электронов и дырок прекращается, так как диффузии дырок в n-область препятствует слой положительных ионов в р-области и слой отрицательных ионов в n-области. В результате перехода электронов и дырок за счет формирования объемного заряда в приграничной области образуется потенциальный барьер, преодолеть который в состоянии лишь электроны и дырки, обладающие большой энергией. При большем значении концентрации акцепторной примеси, когда пр в области полупроводника р- существенно больше п„ области n-типа, переход называют р-n переходом, при большей концентрации донорной примеси - n –р переходом. Независимо от соотношения концентрации примесей, приводит к изменению характеристик полупроводника, его проводимость становится однонаправленной. Если полупроводник с p-n-переходом включить в электрическую цепь (рис. 3.3) и наблюдать зависимость величины тока в цепи от величины приложенного напряжения и его полярности, то обнаружится, что токи при разной полярности напряжения различны (рис. 3.4). Когда минус источника питания подключен к полупроводнику электронной проводимости, а плюс - к полупроводнику дырочной проводимости, считается, что p-n переход подключен в прямом направлении. При этом внутренний потенциальный барьер компенсируется напряжением внешнего источника напряжения.
ется, и электроны и дырки сравнительно свободно его преодолевают. Если полярность внешнего источника напряжения обратная, то действие ее складывается с действием потенциального барьера, в результате чего высота потенциального барьера увеличивается, и переход электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок в область с электронной проводимостью затрудняется. перехода увеличивается, вследствие чего через этот переход протекает обратный ток за счет неосновных носителей. Этот ток невелик, при прямом напряжении р-я-переход открыт, так как через него течет большой ток. При обратном напряжении он закрыт, или заперт, так как через него течет небольшой обратный ток. При увеличении обратного напряжения выше допустимого происходит электрический пробой р-n-перехода, так как при больших обратных напряжениях неосновные носители получают большое ускорение и приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. свободные носители, ускоряясь электрическим полем, производят ионизацию, порождая еще большее число носителей. В результате этот процесс приобретает лавинный характер, резко возрастает обратный ток через p-n переход. 13 Схемы включения транзисторов В электронных схемах могут применяться три основные схемы включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК). Во всех схемах включения один из электродов является общим для входа и для выхода усилительного каскада. Входной усиливаемый сигнал подается на управляющий электрод транзистора относительно общего электрода и снимается с выходного электрода относительно этого же электрода. Свойства этих схем различны, и поэтому рассмотрим их по отдельности. Схема включения транзистора с общим эмиттером (03). Эта схема (на рис. 3.11) является наиболее распространенной, так как усиливает и по напряжению и по току и дает наибольшее усиление по мощности. Как следует из рис. 3.13, эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. На базу подано положительное напряжение смещения UCM, при этом в цепи базы протекает некоторый постоянный ток. С целью устранения потерь части выходного напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания источник Еп зашунтирован конденсатором С большой емкости. На самой низкой частоте усиливаемого сигнала сопротивление этого конденсатора должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки Ru. При анализе схем с целью упрощения шунтирующие конденсаторы указываются не всегда, так как считается, что они имеются внутри самих источников. Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения (амплитудных или действующих значений) к входному: К=U(вых)/U(вх)=U(кэ)/U(бэ) Входным является переменное напряжение база-эмиттер Uбэ, а выходным - переменное напряжение, определяемое сопротивлением нагрузки RH, по абсолютной величине равное напряжению между коллектором и эмиттером £/кэ. Обычно напряжение между базой и эмиттером не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при соответствующем сопротивлении нагрузки RH может достичь единиц и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления по напряжению такого каскада больше единицы, т. е. К >1 (от десятков до сотен). Коэффициент усиления по току К{ каскада с общим эмиттером представляет собой отношение переменных составляющих токов (коллектора и базы:K=I(к)/I(б) Достоинством данной схемы является то, что она усиливает сигнал как по напряжению, так и по току и имеет самый большой коэффициент усиления по мощности, а также «средние» значения выходного и входного сопротивлений. Недостатки схемы с общим эмиттером -несколько худшие по сравнению со схемой с общей базой частотные и температурные свойства. Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема имеет меньший по сравнению со схемой ОЭ коэффициент усиления по мощности, самое маленькое входное и самое большое выходное сопротивление. Схема ОБ фазу сигнала не переворачивает и обладает лучшими по сравнению с другими схемами частотными свойствами. Входным электродом является эмиттер, а общим - база транзистора (рис. 3.12). Усиливаемый сигнал подается относительно базы на эмиттер, т. е. входным напряжением является напряжение между эмиттером и базой. коэффициент усиления по току каскада с ОБ всегда несколько меньше единицы. В практических расчетах считается, что этот коэффициент примерно равен единице, так как ток коллектора ненамного меньше тока эмиттера: К =Iк/Iэ =1. Входное сопротивление определяется как R(вхБ)= U(э-б)/I(э)=R(вхЭ)/β где R(вхЭ)/ - входное сопротивление транзистора, включенного по схеме ОЭ; β - коэффициент передачи транзистора, включенного по схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в случае включения транзистора с общим эмиттером. Схема включения транзистора по схеме с общим коллектором (ОК). В этой схеме (рис. 3. 13) общим электродом (общей точкой) для входа и выхода является коллектор, поскольку источник питания для переменного тока можно считать короткозамкнутым, так как он всегда зашунтирован конденсаторами большой емкости. Коэффициент усиления по току каскада ОК практически такой же, как и в схеме включения с общим эмиттером: К =Imэ/Imб =1+ Imк/Imб
16
19 Электронные усилители предназначены для усиления слабых электрических сигналов до уровня, необходимого для нормального функционирования исполнительного устройства. электронный усилитель — это устройство, мощность электрического сигнала которого на выходе всегда больше мощности входного сигнала Из определения усилителя следует, что усиление слабых сигналов может происходить только за счет некоторого источника энергии, называемого источником питания. От источника питания усилитель потребляет некоторую мощность постоянного тока Ро> часть этой мощности, как правило, переменного тока, отдаваемая в нагрузку (потребителю), называется выходной мощностью усилителя Реых. Часть потребляемой мощности, рассеиваемая в виде тепла усилительными и вспомогательными элементами, называется мощностью потерь Ррас (рис. 4.1). Усилитель «сам» является нагрузкой источника усиливаемого сигнала (или просто источника сигнала) и потребляет из этого источника мощность Рвх, называемую входной частотная характеристика (АЧХ) усилителя и линейные (частотные) искажения. АЧХ усилителя - это зависимость коэффициента усиления усилителя (амплитуды выходного напряжения) при постоянном значении напряжения на входе от частоты усиливаемого сигнала. В общем случае АЧХ представляется так, как выглядит на рис. 4.4. На практике по частотной оси откладывают логарифм частоты, т.е. частоту в логарифмическом масштабе. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в √2раза, называются граничными частотами усиления (fн,fв~ верхняя и нижняя граничные частоты соответственно). Частоты, на которых коэффициент усиления остается постоянным , называют средними частотами, а коэффициент усиления на этих частотах - коэффициентом усиления на средних частотах, и обозначают f0 и K0 соответственно. Таким образом, коэффициент усиления на граничной частоте определяется как Кгр=К0/ √2. В высококачественных усилителях звуковоспроизведения коэффициенты усиления на нижней и верхней граничных частотах могут быть различны, причем значения граничных коэффициентов усиления Кн и Кв могут отличаться от Кгр и, соответственно, будут отличаться значения граничных частот. На практике удобнее пользоваться нормированной частотной характеристикой, так как АЧХ, где приводится зависимость абсолютного значения коэффициента усиления от частоты, не позволяет в полной мере сравнить частотные свойства двух усилителей одинакового «профиля». Нормированная АЧХ строится для относительного коэффициента усиления: Y=K(f)/K(0), где K(f) - коэффициент усиления усилителя на любой частоте, Ко - на средних частотах.
22 Эквивалентные схемы каскада предварительного усиления Для расчета частотных искажений, вносимых реактивными физическими или паразитными элементами, строят эквивалентную схему каскада предварительного усиления. Она строится с учетом прохождения только переменных составляющих токов. Эквивалентную схему удобно строить для участка: выход одного каскада - вход следующего каскада, т.е. источником сигнала представить транзистор первого каскада, а нагрузкой Rн-. - все сопротивления, подключенные к коллектору этого транзистора. Полная эквивалентная схема такого предварительного каскада приведена на рис. 4.12.
На эквивалентной схеме показаны дополнительные «элементы», не изображенные на принципиальной схеме. Например, С0 - паразитная монтажная емкость, внутреннее сопротивление источника сигнала Ruc. Для проведения расчетов полная эквивалентная схема неудобна. С целью облегчения расчетных работ и упрощения процесса анализа КПУ эквивалентную схему строят для каждой частотной области амплитудно-частотной характеристики в отдельности (рис. 4.13).
Область средних частот. Эквивалентная схема каскада усиления для области средних частот строится без учета влияния каких-либо реактивных элементов, т.е. считается, что в этой области влиянием физических и паразитных емкостей можно пренебречь. В области средних частот коэффициент усиления усилителя от частоты не зависит, в эквивалентной схеме реактивные элементы отсутствуют. Действительно, на средних частотах <fH </<fe) емкостное сопротивление разделительных в десятки и сотни раз меньше активных сопротивлений, имеющихся в цепях протекания переменных токов, а сопротивление паразитной емкости существенно больше йн~.. С учетом вышесказанного, можно изобразить эквивалентную схему каскада усиления для ОСЧ (рис. 4.14). Область нижних частот. Эта область характеристики каскадов усиления формируется за счет влияния разделительных конденсаторов и блокировочных конденсаторов в цепях эмиттерной термостабилизации. Упрощенная эквивалентная схема каскада для ОНЧ приведена на рис. 4.17. В этой схеме также отсутствует паразитная монтажная емкость Со, так как на низких частотах ее сопротивление очень велико и не влияет на форму АЧХ усилителя. Из полученного выражения следует, что если сопротивление разделительного конденсатора стремится к нулю. Покажем, что относительный коэффициент усиления каскада можно выразить через отношение выходных напряжений
24 Влияние обратной связи на коэффициент усиления и искажения. Рассмотрим влияние на работу усилителя отрицательной обратной связи. Эта связь уменьшает коэффициент усиления, поэтому она может быть применима лишь при наличии некоторого запаса усиления. Введение отрицательной обратной связи уменьшает нелинейные искажения. Докажем это. Пусть коэффициент усиления на двух различных частотах и , причем >. После введения отрицательной обратной связи эти коэффициенты станут равными и .. . Это означает, что отрицательная обратная связь выравнивает частотную характеристику усилителя. Одним из способов создания отрицательной обратной связи является подача части напряжения с анода лампы на ее управляющую сетку через цепочку RосСосзЂЂ (рис. 55). Конденсатор предохраняет сетку от высокого положительного потенциала. Если в цепи обратной связи появляются реактивные элементы, то коэффициент передачи этой цепи зависит от частоты. Такая связь называется частотнозависимой.
28 Аппаратура записи и воспроизведения звукаНаиболее распространенные системы записи звуковых сигналов: фотографическая (озвучивание кинофильмов), механическая, магнитная, цифровая оптическая. Фотографическая запись. Она производится путем использования модулируемого безынерционного источника света, позволяющего изменить световой поток луча по закону изменения колебаний звукового сигнала. Модулированный луч света освещает движущуюся киноленту и образует на ней после проявления дорожку записи с различной прозрачностью. Записанная информация воспроизводится путем просвечивания ее на фотоэлемент. Ток фотоэлемента будет изменяться в соответствии с записанными колебаниями. Напряжение с нагрузки фотоэлемента усиливается усилителем воспроизведения. Аппаратура механической записи. Носителем информации при механической записи являются грампластинки. Первоначально запись грампластинок производится на алюминиевый диск, покрытый застывшим слоем лака. С каждым оборотом диска резец записывающего устройства автоматически смещается по направлению к центру, вырезая спиральную канавку, глубина и ширина которой соответствует изменениям звуковых колебаний. Аппаратура магнитной записи и воспроизведения звука. При этой системе запись осуществляется изменением остаточного магнитного состояния носителя записи в соответствии с сигналами записываемого звука. Носитель информации должен быть сделан из ферромагнитного материала, нанесенного на ленту или диск из гибкого немагнитного материала. Звуковой сигнал поступает в записывающую магнитную головку, которая представляет из себя электромагнит, состоящий из сердечника 1 и катушки 2 соответствующей конструкции (рис. 7.2). Сердечник магнитной головки изготовливается из металлических пластин с большой магнитной проницаемостью или же из феррита. Магнитная цепь магнитной головки с одной стороны разомкнута немагнитной прокладкой, образующей рабочий зазор 3. К рабочему зазору прилегает магнитная лента 4. Магнитное поле в рабочем зазоре головки изменяется в соответствии с сигналами записываемого звука и фиксируется на магнитной ленте в виде различной остаточной намагниченности ее отдельных участков, образуя магнитную сигнал о грамму. Аппараты, предназначенные для магнитной записи звуковых сигналов - магнитофоны весьма разнообразны по своему устройству, качеству записи. На рис. 7.3 приведена блок-схема магнитофона, позволяющего записывать с целью контроля. Схема состоит из отдельных усилителей записи УЗ и воспроизведения УВ, генератора тока стирания и подмагничивания ГСиП, индикатора уровня И, усилителя мощности УМ и громкоговорителя Гр. Усилитель записи имеет три входа, рассчитанные для подключения микрофона М, звукоснимателя или лазерного проигрывателя Зв, радиотрансляционной линии или радиоприемника Л. Коэффициент усиления УЗ плавно регулируется во время записи во избежание возникновения
возникновения больших нелинейных искажений. Контроль уровня записи производится по индикатору уровня И. В магнитофонах широкого применения используются универсальные усилители с универсальной магнитной головкой (рис. 7.4).
В стереофонических магнитофонах сигналы записывают на общую магнитную ленту. Они образуют несколько дорожек записи, число которых равно числу каналов. Диктофоны. Диктофон - это специально сконструированный для записи речи магнитофон. От обычного магнитофона он отличается пониженными требованиями к качеству записи и воспроизведения, наличием АРУ для записи, наличием старто-стопного режима, т. е. включается на непродолжительное время, выключается, при необходимости повторения реверсируется. Последние достижения лазерной техники, позволили создать принципиально новую систему записи - «Компакт-диск» с бесконтактным считыванием информации с помощью лазерного луча и цифровой ее обработки. В настоящее время такие системы полностью вытеснили механические системы записи и воспроизведения звуковой информации. Цифровая оптическая звукозапись обладает несравненно более высокими параметрами воспроизведения звукового сигнала, чем аналоговая.
31 Автогенераторы гармонических колебаний Устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний без внешнего периодического воздействия, называют автогенератором. Работа любого автогенератора основана на принципах использования положительной частотно-избирательной обратной связи в усилителях электрических сигналов. Для устойчивого возбуждения генерации колебаний необходимо выполнение двух условий: Г - условие выполнения баланса фаз и 2 - условие амплитуд. Первое условие требует, чтобы напряжения на выходе и входе усилителя, охваченного обратной связью, совпали по фазе или же фазы этих напряжений отличались на целое число 2π рад: Фк + Фр =2πn, (6.1) где фк, фр - изменение фазы колебаний при прохождении через усилитель и цепь обратной связи соответственно. Чтобы колебания возрастали по амплитуде, т. е. чтобы автогенератор самовозбудился, необходимо выполнение амплитудного условия самовозбуждения: Ку β>1, (6.2) где Ку - коэффициент усиления усилителя; β - коэффициент передачи цепи обратной связи. В общем случае коэффициенты Ку и β зависят от частоты. Для получения генератора гармонических колебаний необходимым условием является наличие в усилителе резонансных цепей или же частотно-избирательной цепи обратной связи. Независимо от формы генерируемого сигнала все генераторы представляют собой усилители с положительной обратной связью. Функционально генератор можно представить в виде двух четырехполюсников, соединенных последовательно (рис. 6.1). Первый четырехполюсник представляет собой электронный усилитель, второй - частотно-избирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β. В усилителе с положительной обратной связью при выполнении условия (6.2) случайно возникшие колебания начинают нарастать по амплитуде. Этот процесс бесконечно продолжаться не может, так как по мере нарастания амплитуды колебаний коэффициент усиления уменьшается. Усилитель системы становится нелинейным. Благодаря этой нелинейности автогенератор входит в стационарный режим, когда колебания имеют постоянную амплитуду. Не останавливаясь на строгом аналитическом исследовании, отметим, что мощность потерь в колебательной системе пропорциональна квадрату амплитуды напряжения на входе усилителя. Очевидно, что автоколебательный процесс возможен только в том случае, когда вносимая мощность в колебательную систему достаточна для компенсации потерь в ней, иначе наблюдали бы затухающие колебания. Вносимая в колебательную систему мощность обеспечивается усилителем за счет энергии источника питания.
34 Принцип супергетеродинного радиоприемника. Современные радиоприемники строят по супергетеродинной схеме. Принцип супергетеродинного радиоприема заключается в преобразовании принятых высокочастотных сигналов в колебания промежуточной частоты, величина которой постоянна для данного приемника. Промежуточная частота также является высокой частотой, но обычно она меньше частоты принимаемых радиосигналов. Блок-схема супергетеродинного приемника показана на рисунке 107. В супергетеродинном приемнике имеется маломощный генератор высокой частоты – гетеродин. Частота гетеродина больше частоты принимаемого сигнала на величину промежуточной частоты. Колебания гетеродина складывается в смесителе с принятым радиосигнале на нелинейном элементе. В результате получаются колебания различных частот: Из этих высокочастотных токов выделяются токи промежуточной частоты , модулированные по тому же закону, что и . По сравнению с приемником прямого усиления супергетеродинный приемник обладает рядом существенный преимуществ:
К недостаткам супергетеродинного приемника относятся:
наличие зеркальной помехи.
37 приемный телевизионные трубки 8.6. Приемные телевизионные трубки Приемная электронно-лучевая трубка называется кинескопом. Кинескоп предназначен для преобразования видеосигнала в оптическое изображение. Принцип работы кинескопа основан на управлении интенсивностью электронного луча в соответствии с электрическим сигналом, подаваемым на управляющий электрод трубки. При изменении интенсивности луча соответствующим образом изменяется также интенсивность свечения люминофора. На рис. 8.10 изображен кинескоп в разрезе. В узкой части трубки (горловине) расположен электронный прожектор (электронная пушка) с электростатической фокусировкой. С внешней стороны на горловину надевается отклоняющая система, состоящая из двух пар отклоняющих катушек специальной формы. Токи генератора развертки создают в отклоняющих катушках два взаимно перпендикулярных магнитных поля, отклоняющих электронный луч по строкам (горизонтали) и по кадру, (вертикали). Развертка электронного луча осуществляется синхронно и синфазно с разверткой электронного луча передающей телевизионной трубки. Экран кинескопа изготавливается из высококачественного дымчатого стекла и имеет слегка выпуклую форму для обеспечения прочности трубки при действии атмосферного давления. Внутренняя поверхность экрана покрыта слоем люминофора, который светится при облучении электронами. Спектральный состав излучения определяется химическим составом люминофора.
В современных кинескопах используются металлизированные экраны, у которых слой люминофора с внутренней стороны покрыт тонкой пленкой алюминия, толщиной порядка 0,1 мкм. Пленка алюминия контактирует с аквадагом - проводящим покрытием, соединенным с вторым анодом прожектора. Алюминиевое покрытие повышает яркость и контрастность изображения, так как отраженные от металлической пленки световые лучи усиливают прямое излучение. Алюминиро-вание экрана также увеличивает срок службы кинескопа, так как устраняет появление ионного пятна, разрушающего центральную часть экрана кинескопа. Цветные кинескопы выпускаются с точечными и штриховыми экранами. В точечном кинескопе экран с внутренней стороны покрыт мозаичным слоем точечной структуры из люминофоров, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Точки люминофоров расположены треугольниками (триадами). Число триад составляет 550 000, а общее число люминофорных точек - 1 650 000. Перед люминофором расположена металлическая распределительная маска, обеспечивающая попадание электрических лучей, модулированных сигналами «красного», «синего» и «зеленого», на соответствующие точки люминофора Три электронные пушки расположены в основании горловины кинескопа по углам равностороннего треугольника. Электронные пушки, металлическая маска и точки люминофора расположены таким образом, что электронный луч одной из пушек, пройдя через любое отверстие в маске, попадает только на свой люминофор. При одновременном действии всех трех пушек происходит пространственное смешение цветов. В современных телевизорах применяются кинескопы с самосведением лучей, в которых электронные пушки расположены на одной прямой линии (планарное расположение пушек, рис. 8.11, а). Эти кинескопы не нуждаются в дополнительном совмещении лучей внешними органами сведения. В кинескопах с планарным расположением электронных пушек применяются щелевые маски (рис. 8.11, б), а люминофоры трех цветов наносятся на экран в виде чередующихся полосок (рис. 8.11, в). На рис, 8.12 показан пример формирования цветового пятна на экране кинескопа с планарным расположением электронных пушек.
39, Основы цветного телевидения
42 Совместимость систем телевидения
|
5 Частотная модуляция. Недостатком амплитудной модуляции является плохое использование мощности высокочастотных колебаний. Недостатки амплитудной модуляции в значительной степени устраняются при применении частотной модуляции. При частотной модуляции модулирующее напряжение изменяет частоту несущего колебания: , где – девиация частоты (отклонение от среднего значения). Как показывает подобный анализ, спектр частотно-модулированного колебания даже при синусоидальном модулирующем сигнале содержит бесконечно большое число гармонически составляющих с частотами , где k=0,1,2,…Однако амплитуда боковых колебаний довольно быстро убывает с увеличением их номера (рис. 86). Практически ширина канала радиовещания при частотной модуляции составляет около 75 кГц, что примерно в 8 раз больше, чем при амплитудной модуляции. В связи с этим частотная модуляция применяется лишь в УВК диапазоне. При частотной модуляции мощность высокочастотных колебаний используется более полно, так как амплитуда боковых колебаний может быть больше амплитуды несущего колебания. Частотная модуляция является помехозащитной. Паразитная амплитудная модуляция устраняется применением амплитудного ограничителя.
8радиопереда́тчик устройство для формирования радиосигнала, подаваемого на вход передающей антенны. Обычно содержит возбудитель (генератор колебания необходимой частоты с высокой стабильностью), усилитель мощности и модулятор (блок, модулирующий несущее колебание по заданному закону). Структурная схема позволяет создать высокочастотное колебание – переносчик информации, промодулировать его и усилить до необходимой мощности, выполнив определённые требования для передачи максимальной мощности в антенну. Радиопередатчики проектируются и применяются во многих отраслях: все виды радиосвязи, радиолокации, радиопеленгации, звукового и телевизионного вещания, службы точного времени и т. д. Основные характеристики радиопередатчиков: вид излучения, рабочие частоты, допустимая нестабильность частоты излучаемого сигнала, мощность излучения. Кроме этих характеристик, важны и эксплуатационные характеристики: коэффициент полезного действия, определяющий количество потребляемой электроэнергии от сети электроснабжения (кроме стоимости, лишняя электроэнергия нагревает радиопередатчик, требуя громоздкой системы принудительного охлаждения – воздушного или водяного; тепловыделением определяются и размеры радиопередатчика); экологические характеристики – допустимый уровеньэлектромагнитных излучений и акустических шумов в технологических помещениях и жилых зданиях. Для уменьшения экологического воздействия мощные передатчики выносят за черту города, а вместо привычных трубок радиотелефонов начинают применять выносную микротелефонную гарнитуру, а сам аппарат с передатчиком подвешивают на брючном ремне (воздействие на остальные органы менее опасно, чем на мозг). Современные системы связи – беспоисковые и бесподстроечные. Это требует точности установки частоты не хуже 1 Гц и нестабильности частоты в доли герца для радиотелефона, поэтому задающие генераторы с плавной настройкой уступили место цифровым синтезаторам, синхронизированным с высокостабильным задающим генератором. Выходные каскады усиливают сигналы (иногда осуществляют модуляцию сигналов) до необходимой мощности – от микроватт до нескольких мегаватт, часто выполняют необходимую фильтрацию сигналов (частотную селекцию основных сигналов от различных побочных, засоряющих радиочастотный спектр сигналов). Вся история развития радиопередатчиков – история развития элементной базы: от генерирования колебаний с помощью искры или электрической дуги (источники колебаний широкого спектра), применения электровакуумных элементов (изобретение вакуумного триода, а затем многоэлектродных ламп и других вакуумных приборов – клистронов, магнетронов, ламп бегущей и обратных волн и т. д.) и, наконец, твердотельных усилительных элементов, которые позволяют строить радиопередатчики мощностью до нескольких киловатт. Особо, по элементной базе, выделяются бортовые, спутниковые радиопередатчики, работающие в условиях открытого космоса.
11 Биполярные транзисторы Наибольшее распространение в радиоэлектронике получили биполярные транзисторы. В них используются два р-и-перехода, и их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Принцип устройства транзистора, включенного с общей базой показан на рис Для примера взят транзистор типа п-р-п , у которого средняя область - с дырочной, а две крайние области - с электронной проводимостью. На практике широко применяются также транзисторы р-n-р-структуры, в которых средняя область имеет электронную, а две крайние - дырочную проводимости, Независимо от типа проводимости средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область -эмиттером, другая - коллектором. Выводы транзистора от сказанных областей обозначаются соответственно буквами «б», «э», «к». Характеристики и параметры биполярных транзисторовСтатические характеристики транзисторов. Статические характеристики транзистора снимаются при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Зависимости между токами и напряжениями выражаются с помощью двух семейств характеристик: семейством входных и семейством выходных характеристик. Для каждой из рассмотренных выше схем включения транзистора существует свое семейство характеристик Рассмотрим характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Схема лабораторной установки для снятия характеристик транзисторов рис.3.14 Рис. 3.14. Схема установки для измерения токов транзистора Семейство входных характеристик. Входные характеристики снимаются при постоянных выходных напряжениях (UK const). Так как общий характер этих зависимостей определяется свойствами р-п-перехода, входные характеристики транзистора по внешнему виду похожи на прямые ветви вольтамперных характеристик полупроводникового диода. Первая характеристика (рис. 3.15, а) снимается при нулевом напряжении на коллекторе, т. е. когда коллектор и эмиттер замкнуты накоротко с помощью потенциометра. При этом переходы база эмиттер и база-коллектор соединяются параллельно и к обоим переходам приложено прямое напряжение U = Eб (рис. 3.15, б). Ток базы представляет собой сумму прямых токов эмиттерного и коллекторного переходов. Он получается небольшим, так как прямое напряжение эмиттерного перехода небольшое, составляет лишь десятки или сотни милливольт.
14
17
20 Апериождические усилители Апериодические каскады предварительного усиления на транзисторах На рис. 4.11 приведен двухкаскадный апериодический предварительный усилитель. С целью упрощения на схеме не указаны элементы термостабилизации рабочей точки транзисторов Рис. 4.11. Двухкаскадный апериодический усилитель Назначение элементов схемы: Cp1 Cp2 Cp3 - разделительные конденсаторы, как было показано выше, обеспечивают постоянство напряжений смещения на базе транзисторов; Сф - конденсатор фильтра в цепи питания, служит для ослабления напряжений пульсаций; R61, R-62 - сопротивления делителя цепи подачи смещения на базу первого транзистора VT1; R6]C1, R62c:i - сопротивления делителя подачи смещения второго, т.е. следующего транзистора; RK - сопротивление нагрузки цепи коллектора транзистора . Наличие разделительных конденсаторов позволяет разделить пути прохождения постоянных и переменных токов. Сначала рассмотрим пути прохождения постоянных токов. Так как оба каскада усилителя построены по одной и той же схеме, будем рассматривать пути прохождения токов только для первого каскада Источником постоянных токов является источник питания усилителя (Еп) - аккумуляторная батарея RK полностью определяет сопротивление нагрузки каскада по постоянному току, так как напряжение источника питания распределяется только между этим сопротивлением и транзистором, вернее, сопротивлением между коллектором и эмиттером транзистора VT1. Источников переменного тока в исследуемой схеме несколько. Первый источник - это источник сигнала Uc, следующим источником переменного тока является первый каскад усиления на VT1, а коллектор и эмиттер этого транзистора служат как бы выходными «зажимами» этого источника. Третий источник переменного тока - второй каскад усиления, который служит источником для следующего -третьего каскада и т. д. Любой каскад усиления, в свою очередь, является нагрузкой предыдущему каскаду или же исходному источнику сигнала. Итак, источнику сигнала Uс нагрузкой является входное сопротивление первого каскада усиления. К выходным «зажимам» источника сигнала подключены параллельно три сопротивления: сопротивление R6l, R^2 и входное сопротивление транзистора VT1. Действующее значение сопротивления нагрузки источника сигнала можно определить как Сопротивление перехода база-эмиттер транзистора VT2 представляет его входное сопротивление. С учетом перечисленных путей прохождения переменной составляющей коллекторного тока можно записать значение сопротивления нагрузки RH по переменному тока для первого каскада:
Из полученного выражения следует, что сопротивление нагрузки переменному току всегда меньше сопротивления нагрузки постоянному току, так как для переменного тока сопротивления всех четырех -цепей подключены параллельно. Расчет каскада предварительного усиления (КПУ) сводится к расчету номиналов элементов выбранной схемы, который ведется аналитическим путем. Сначала определяют ток покоя 1к0 коллектора
Коэффициент передачи по току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:
Тогда коэффициент усиления каскада можно представить в виде:
Полученное выражение позволяет сделать важный вывод, что коэффициент усиления каскада по постоянному току всегда больше, чем по переменному.
22 где Uвых~ выходное напряжение каскада для текучих значений частот усиливаемого сигнала; Y- относительный коэффициент усиления. Относительный коэффициент усиления усилителя в ОНЧ может быть определен по формуле:
Коэффициент частотных искажений тн в ОНЧ определяется как
Область верхних частот. В этой области частота сигнала уже настолько большая, что начинает сказываться влияние паразитной емкости Со. Схему, приведенную на рис. 4.18, можно преобразовать так, что полученная схема будет содержать эквивалентный генератор, напряжение холостого хода которого в отсутствии паразитной емкости будет совпадать с напряжением эквивалентного генератора, построенного для области средних частот. При рассмотрении ОСЧ было показано, что выходное напряжение каскада совпадает (равно) с напряжением эквивалентного генератора (ЭГ) с внутренним сопротивлением;
Тогда расчетную эквивалентную схему каскада можно представить так, как изображено на рис. 4.19.
25 25,Многокаскадные усилители. Каскады усиления мощности могут работать как в режиме А, так и в режиме В. В зависимости от способа связи с нагрузкой и способа построения каскады усиления мощности подразделяются на: однотактные трансформаторные и однотактные с непосредственной связью с нагрузкой, двухтактные трансформаторные и двухтактные бестрансформаторные, мостовые. Сопротивления Rdi и R, образуют делитель напряжения для подачи смещения на базу с фиксированным напряжением. Номиналы сопротивлений рассчитываются из условия обеспечения требуемого режима работы транзистора. Разделительный конденсатор Ср1 не пропускает постоянный ток цепи делителя в «сторону» источника сигнала, сохраняя постоянство тока смещения базы. Термостабилизация рабочей точки обеспечивается терморезистором R(t) сопротивление которого с увеличением температуры уменьшается по закону изменения коллекторного тока. R,, - сопротивление нагрузки (динамика, телефона и т.д.). Через сопротивление нагрузки протекают и постоянный, и переменный токи. Расчет номиналов элементов и параметров усилителя мощности производят графоаналитическим способом. С целью выявления пределов «стремления» основных энергетических параметров при анализе каскадов усиления мощности, вводят понятия коэффициентов использования по току (ψ) и по напряжению (ξ) транзистора. Коэффициент использования по току определяется как отношение амплитуды тока, протекающего через сопротивление нагрузки, к току покоя транзисто
Однотактные каскады усиления мощности работают в режиме А. Схема каскада усиления мощности с непосредственной связью с нагрузкой приведена на рис. 4.29
29 Воспроизведение грамзаписи осуществляется с помощью электропроигрывателей. Электропроигрыватель содержит приводной механизм, вращающий грампластинку, звукосниматель, усилитель и акустическую систему. При воспроизведении игла звукоснимателя вводится в канавку и при вращении грампластинки совершает колебания, аналогичные записанным. Колебания иглы передаются на магнитный или пьезоэлектрический преобразователь звукоснимателя. Название звукоснимателя определяет используемый преобразователь механических колебаний в электрические, В настоящее время грампластинки и аппаратура воспроизведения грамзаписи промышленностью не выпускаются При воспроизведении магнитный поток, исходящий из магнитной ленты, замыкается через сердечник магнитной головки, схожей по устройству с записывающей, и возбуждает в обмотке ее катушки электрические сигналы, соответствующие записанной информации. Ненужная магнитная запись легко стирается с помощью стирающей магнитной головки, конструктивно, в общем, похожей на магнитные головки записи и воспроизведения. Аппараты, предназначенные для воспроизведения звуковых сигналов - магнитофоны весьма разнообразны по своему устройству. На рис. 7.3 приведена блок-схема магнитофона, позволяющего воспроизводить запись с целью контроля. Схема состоит из отдельных усилителей записи УЗ и воспроизведения УВ, генератора тока стирания и подмагничивания ГСиП, индикатора уровня И, усилителя мощности (оконечного каскада усиления) УМ и громкоговорителя Гр. В магнитофонах широкого применения используются универсальные усилители с универсальной магнитной головкой (рис. 7.4).
для тракта воспроизведения универсальный усилитель УУ имеет чувствительность, достаточную для воспроизведения записанных сигналов.
32 Схемы LC-генераторов гармонических колебаний основой генератора гармонических колебаний является, усилитель с положительной обратной связью, при которой условие самовозбуждения выполняется только на одной частоте. В RС-генераторах в качестве частотно-избирательной цепи используется RС-фильтры, а LC-генераторах - колебательный контур. LC-генератор может быть построен на базе любого резонансного усилителя.
На рис. 6.2. приведена схема автогенератора с трансформаторной связью, где обратная связь осуществляется через катушку LCB, включенную в цепь стока полевого транзистора, связанную магнитным потоком с катушкой L колебательного контура. В начальной стадии самовозбуждения (при рассмотрении мягкого режима), когда амплитуды еще малы, математическая формулировка задачи самовозбуждения может быть представлена линейным дифференциальным уравнением. Для составления такого уравнения примем следующие обозначения: I - ток в контуре; Iс - переменная составляющая тока стока транзистора; U = U(з) - напряжение на контуре, равное напряжению на затворе транзистора. Тогда уравнение напряжений в контуре (рис. 6.2) имеет вид: C увеличением коэффициента взаимной индукции М можно добиться выполнения амплитудного условия самовозбуждения. Недостатком автогенераторов с трансформаторной связью является необходимость иметь две катушки индуктивности. Поэтому на практике чаще используют схемы, где напряжение обратной связи снимается с части колебательного контура На рис. 6.8, а, приведена схема генератора, построенного по индуктивной трехточечной, на рис. 6.8, б - по емкостной трехточечной схемам.
35 Телевидением называют область техники, предназначенную для передачи с помощью радиотехнических устройств изображений движущихся или неподвижных объектов с одновременным визуальным наблюдением их на приеме. Телевизионные сигналы обычно передаются в диапазоне метровых и дециметровых волн на расстояние прямой видимости. Однако существующие в настоящее время линии связи - радиорелейные, спутниковые, кабельные и волоконно-оптические - дают возможность передавать телевизионные сигналы изображения и звука практически на любые расстояния. В основе телевизионной передачи изображения лежат три физических процесса:
исторические сведения о этапах развития телевидения. Проект Кери. Первым телевизионным проектом является проект Кери. Этим проектом предполагалось, что спроектированное на панель селеновых пластинок, служащих в качестве фоторезисторов, изображение вызовет в каждом проводе разное изменение тока (так как сопротивление селеновых пластинок изменяется пропорционально освещенности) и заставит светиться каждую лампочку с соответствующей яркостью (рис. 8.1). Совокупность всех лампочек должна дать мозаичное изображение передаваемого предмета. Эта идея не была реализована из-за большого числа проводников и малой четкости изображений. Приемная трубка Розинга. Начальным этапом развития электронных методов в телевидении является Б.Л. Розингом была запатентована система «катодной телескопии». Розинг в качестве приемного устройства использовал электронно-лучевую трубку, впоследствии ставшую прототипом современных приемных трубок, а передающей части - механическую систему развертки. Изображение на экране трубки получалось путем модуляции электронного луча по плотности с одновременным отклонением его в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Передающая трубка Константинова. Первый проект передающей электронно-лучевой трубки с использованием принципа накопления зарядов был предложен А.П. Константиновым. В этом проекте был четко сформулирован принцип накопления зарядов за счет фотоэмиссии, а также метод использования электронно-лучевой коммутации. Трубка Константинова не была реализована из-за сложности сигнального электрода. Но принцип накопления электрических зарядов лег в основу создания всех видов передающих трубок современных телевизионных систем. Общие принципы передачи и приема телевизионных изображений Структурная схема современной телевизионной системы. Общая структурная схема системы передачи и приема телевизионных изображений приведена на рис. 8.4. Изображение передаваемого объекта / проектируется объективом 2 на поверхность мишени передающей трубки, находящейся в телевизионной камере 3. В результате развертки электронного луча электрическими или магнитными полями на выходе телевизионной камеры образуются видеосигналы в соответствии со степенью освещенности элементов оптического изображения объекта. Видеосигналы усиливаются усилителем 4, далее на модулятор 5 передатчика <5 и в виде модулированных высокочастотных колебаний излучаются антенной 9. Развертывающее устройство 7, синхронизированное синхрогенератором 8, обеспечивает развертку луча как по строке, так и по кадру.
Синхрогенератор 8 вырабатывает синхроимпульсы и трубки и для устройства, представляющего изображение потребителю, которые в тракте усиления 4 смешиваются с видеосигналом, образуя полный телевизионный сигнал. На приемном конце системы радиосигналы принимаются приемной антенной 10 и поступают в радиоприемник 11, где усиливаются и детектируются. Дополнительное усиление видеосигналы получают в видеоусилителе 12 и поступают на управляющий электрод приемной трубки 13. В приемной трубке видеосигналы модулируют плотность электронного луча, тем самым изменяя яркость различных точек лю-минеспирующей поверхности экрана. Отклонение электронного луча осуществляется генераторами разверток устройства 15, которые синхронизируются импульсами, выделяемыми из полного телевизионного сигнала селектором синхроимпульсов 14. Развертка изображения. Последовательное выделение отдельных элементов передаваемого изображения путем преобразования яркостей отдельных точек в электрические сигналы называется разверткой изображениПроцесс развертки заключается в периодическом движении электронного луча по мишени передающей трубки или экрану кинескопа слева направо и одновременно сверху вниз.
37(прод) Применение кинескопов с самосведением электронных лучей позволяет существенно повысить яркость свечения экрана и в значительной степени ослабить влияние магнитного поля земли на цветовоспроизведение при перемещении телевизора. Это свойство особенно важно для переносных телевизоров. Электронные пушки. Электронные пушки электроннолучевой трубки предназначены для формирования узкого электронного луча с необходимой энергией электронов. Для получения необходимого диаметра луча, определяющего разрешающую способность трубки, применяются электростатические и магнитные фокусирующие системы. Принцип электростатической фокусировки основан.на законах изменения траектории электронного луча под действием постоянного электрического или магнитного поля. Например, искривление траектории электрона при движении в ускоряющем электрическом поле происходит аналогично изменению направления распространения светового луча, встречающего оптическую среду с большим коэффициентом преломления, чем показатель преломления среды распространения, такой же формы, как эквипотенциальная поверхность. Особенность электронной оптики состоит в том, что показатель преломления среды пропорционален разности потенциалов и непрерывно изменяется по ходу луча.
На рис. 8.13. приведена схема электронной пушки (электронного прожектора) в разрезе, Электроны в электронной пушке вылетают из катода и ускоряются электрическим полем, приложенным к анодам 3 и 4 пушки относительно ее катода /. Электрод 2 совместно с первым анодом 3 играет роль фокусирующего электрода и одновременно явля-
40, Система цветного телевидения
|
6 Импульсная модуляция.Дельта-модуляция.
9 Пассивные элементы радиотехнических цепей Пассивные элементы R, I, С относятся к классу линейных элементов, так как их вольтамперные характеристики имеют линейный характер и подчиняются закону Ома. Резисторы. Они представляют собой элемент электрической цепи, где происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Резисторы бывают общего и специального назначения; Резисторы общего назначения имеют шкалу номиналов от единиц Ом до 10 МОм. Мощность рассеяния резисторами Ррас может быть от 0,125 Вт до 100 Вт, Допустимое отклонение сопротивления от номинального значения (от значения указанного на корпусе резистора) имеет строго определенную шкалу: ±2; ±5%. высокоточные резисторы могут иметь минимальное отклонение до сотых долей процента. Резисторы специального назначения подразделяются на: прецизионные; высокочастотные; высокоомные; высоковольтные; высоко-мегаомные. По принципу использования резисторы бывают: переменные, постоянные. Переменные резисторы в свою очередь подразделяются на регулировочные и подстроенные. В зависимости от материала, определяющего сопротивление резистора, они подразделяются на проволочные, пленочные, непроволочные, полупроводниковые. Полупроводниковые резисторы относятся к классу нелинейных элементов. Когда через резистор протекает некоторый ток , то на нем падает напряжение U(R) = I R . Если через резистор протекает переменный ток с амплитудой то амплитуда напряжения, падающего на нем,
напряжение, падающее на сопротивлении R, будет UmR = lm eJ ш R . Конденсаторы. Они представляют собой радиоэлементы, состоящие из двух обкладок, разделенных диэлектриком. В зависимости от материала диэлектрика, назначения и выполняемой функции конденсаторы имеют следующую классификацию: конденсаторные и комбинированные сборки; с органическим диэлектриком; с неорганическим диэлектриком; электролитические; с газообразным диэлектриком. Конденсаторы с органическим диэлектриком бывают: низковольтные, высоковольтные, импульсные, переменного напряжения, Конденсаторы с неорганическим диэлектриком подразделяются на низковольтные, высоковольтные, помехоподавляющие и нелинейные. Электролитические конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные. Конденсаторы с газообразным диэлектриком: воздушные, газонаполненные и вакуумные. По характеру изменения емкости конденсаторы подразделяются на и постоянные. Основными параметрами конденсатора являются номинальная емкость, допустимое отклонение емкости от номинального значения, рабочее напряжение и тангенс угла потерь. Конденсатор является реактивным элементом, способным на рисунке выделены). В некоторых случаях может оказать влияние на работу схемы и межвитковая емкость катушки и т.д. Очевидно, что в радиотехнике стараются применять такие детали, которые обладали бы свойствами "чистых" элементов. например, активное сопротивление катушек стараются довести до минимума путем применения специальных материалов и проводов. Однако остается вопрос: когда нужно учитывать элементы и усложнять схему, и в каких случаях можно ими пренебречь? На этот вопрос можно ответить так: результаты теоретических расчетов не должны расходиться с результатами физического эксперимента более чем на заданную погрешность. В инженерной практике допускается 5% погрешность, В любом случае критерием оценки учета подразумеваемых элементов является эксперимент.
Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком зарядов одной полярности: потоком основных носителей, протекающим через канал, управляемым электрическим полем. По принципу устройства полевые транзисторы бывают с управляющим переходом и с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором по структуре разделяются на транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом. По типу используемого изолирующего материала транзисторы с изолированным затвором называют МДП-транзисторами (от слов «металл - диэлектрик - полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл - оксид -полупроводник»). В последнем случае диэлектриком служит слой диоксида кремния Полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением. Входное сопротивление на низких частотах транзисторов с изолированным затвором достигает 10й - 1016 Ом. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходомУправляемый канал может быть изготовлен как из полупроводника n-типа, так и из полупроводника p-типа. Управляемый канал образуется путем формирования управляю щей области с другим типом проводимости. В рассматриваемом случае это p-область, а канал представляет пластинку из полупроводника nтила. Пластинка из полупроводника n-типа (на рис. 3.32 из полупроводника р-типа) имеет на противоположных концах электроды. Электрод, из которого в канал вытекают электроны называется истоком (И). Электрод, куда проходят электроны, называется стоком (С). Управляющий электрод, соединенный с областью р-типа, называется затвором (3). При подаче на затвор обратного напряжения (относительно истока) увеличивается толщина перехода и соответственно этому уменьшается поперечное сечение канала.
Характеристики и параметры полевых транзисторов. Как было уже сказано, полевые транзисторы обладают большим входным сопротивлением и поэтому зависимости входных токов не рассматриваются. Это свойство полевых транзисторов сильно отличает их от биполярных транзисторов, в которых управление выходным током осуществляется током входного электрода. Основными статическими характеристиками полевого транзистора являются: семейство выходных характеристик и семейство проходных характеристик (проходные характеристики
15
18 Каскад усиления усилителя по схеме с общей базой.
21 Линейные и нелинейные искажения ких частот.
23Обратная связь в усилителях. Подача части выходного напряжения на вход усилителя называется обратной связью (рис. 53). Если напряжение обратной связи совпадает по фазе с входным напряжением, то связь называется положительной. Если Uос и Uвх сдвинуты по фазе на угол 1800, то обратная связь называется отрицательной. Пусть коэффициент усиления усилителя без обратной связи равен К и коэффициент передачи цепи обратной связи . Определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью. В результате подачи на выход усилителя напряжения обратной связи напряжение на его входе станет равным :. Это напряжение будет усиленно в К раз и станет равным: .Отсюда (*). Из (*) следует, что при положительной обратной связи усилитель будет работать с большим коэффициентом усиления, чем без обратной связи, а при отрицательной связи – с меньшим. Применив положительную обратную связь можно более полно использовать усилительные свойства лампы. Однако в УНЧ такая связь не используется, так как она ухудшает характеристику. При коэффициент усиления неограниченно возрастает. Это означает, что бесконечно малый сигнал на входе усилителя может вызвать колебания на входе. Так как на входе всегда имеются колебания бесконечно малой амплитуды за счет флуктуации, то при усилитель превращается в генератор. Положительная обратная связь может возникнуть между каскадами усилителя через общие цепи анодного питания. Такая связь называется паразитной. ____________________________________________________________
26 каскады усилителя Оконечным каскадом усилительного устройства является каскад усиления мощности. Каскады усиления мощности могут работать как в режиме А, так и в режиме В (АВ). В зависимости от способа связи с нагрузкой и способа построения каскады усиления мощности подразделяются на: однотактные трансформаторные и однотактные с непосредственной связью с нагрузкой, двухтактные трансформаторные и двухтактные бестрансформаторные, мостовые. Ниже будет произведен энергетический анализ наиболее распространенных типов каскадов усиления мощности. При рассмотрении энергетических соотношений будем пользоваться в основном синусоидальными сигналами однотактные каскады усиления мощности работают в режиме А. Схема каскада усиления мощности с непосредственной связью с нагрузкой приведена на рис. Сопротивления Rd} и R, образуют делитель напряжения для подачи смещения на базу с фиксированным напряжением. Номиналы сопротивлений рассчитываются из условия обеспечения требуемого режима работы транзистора. Разделительный конденсатор С не пропускает постоянный ток цепи делителя в «сторону» источника сигнала, сохраняя постоянство тока смещения базы. Расчет номиналов элементов и параметров усилителя мощности производят графоаналитическим способом. С целью выявления пределов «стремления» основных энергетических параметров при анализе каскадов усиления мощности вводят понятия коэффициентов использования по току и по напряжению транзистора. Коэффициент использования по току определяется как отношение амплитуды тока, протекающего через сопротивление нагрузки (он численно равен амплитуде тока коллектора транзистора , к току покоя транзистоpa Расчет усилителя для заданной мощности Рн, выделяемой в нагрузке, выполняется в следующей последовательности: 1. По справочнику находят подходящий по энергетическим параметрам транзистор 2. Определяют соответствие максимально допустимого напряжения коллектора транзистора рабочему напряжению UK имеющемуся в схеме усилительного каскада должно быть больше напряжения источника питания. Необходимое значение напряжения питания определяется из условия Е„ > Um + 2UKm
определяются реальные значения амплитуд напряжения и тока коллектора;
Действ-ее значение тока:
амплитуда напряжения базы может быть определена как Расчетные значения коэффициентов усиления по напряжению и по мощности находятся как Достоинства однотактного каскада с непосредственной связью с нагрузкой: Простота схемы, небольшое число радиоэлементов; Малые линейные и нелинейные искажения. Недостатки:Нагрузка находится под большим напряжением источника питания, и через сопротивление нагрузки протекает постоянный ток, что не всегда желательно. Маленький КПД. При усилении гармонических сигналов такой каскад работает только в режиме А.
30 RС-генераторы Гармонические колебания могут быть получены в схемах, использующих RС-цепи, где условия баланса фаз и амплитуд выполняются лишь на одной частоте. Наибольшее применение нашли генераторы на операционных усилителях с мостом Вина Автогенераторы с RС-цепями применяются обычно для генерирования низкочастотных колебаний, так как LС-генераторы в таких случаях оказываются громоздкими Коэффициент переда Схема автогенератора на операционном усилителе с мостом Вина
Если выбрать коэффициент усиления усилителя больше трех, то форма генерируемых колебаний может сильно отличаться от гармонических, а при Ку < 3 колебания вообще не возникнут. Поэтому в такой генератор вводят специальную цепь отрицательной обратной связи через нелинейное полупроводниковое сопротивление, а иногда используют обычную миниатюрную лампу накаливания. При отсутствии генерации сопротивление цепи обратной связи велико, коэффициент усиления усилителя Ку » 3. После появления колебаний сопротивление цепи обратной связи уменьшается за счет переменного тока, глубина обратной связи увеличивается, и К(Y) начинает уменьшаться, пока не станет равным Ку =3.
33 Приемник прямого усиления. Радиоприемником называется устройство, воспроизводящее сообщение, переедаемое передатчиком. Радиопередатчик передает сообщение с помощью модулированных высокочастотных колебаний. Для воспроизведения сообщения приемник должен:
Любой радиоприемник должен содержать приемную антенну, селектор, детектор и преобразующее устройство (рис. 105). Селектором называется устройство, служащее для выделения сигналов нужной радиостанцией из сигналов других радиостанций, работающих на иной частоте. Кроме перечисленных обязательных элементов в приемнике могут содержаться блоки усиления сигналов и преобразования несущей частоты. Приемник, в котором не происходит преобразования несущей частоты, называется приемником прямого усиления. Блок-схема этого приемника представлена на рис 106. Основными параметрами приемника являются чувствительность (способность принимать слабые сигналы) и избирательность (способность отделять сигналы нужной радиостанции от сигналов других радиостанций, близких по частоте).
36, Преобразование оптического изображения в электрические сигналы осуществляется с помощью передающих телевизионных трубок, от которых в значительной степени зависит качество телевизионных изображений . Процесс преобразования оптического изображения в телевизионный сигнал состоит из двух этапов: преобразование оптического изображения в электрическое изображение и преобразование потенциального изображения в видеосигнал. К передающим трубкам предъявляют следующие основные требования: • высокая чувствительность;
■ высокое отношение сигнал/помеха создаваемого сигнала. В современных передающих трубках используются два вида фотоэффекта: явление внешнего фотоэффекта и внутреннего фотоэффекта, при котором изменяется проводимость полупроводниковой мишени в зависимости от ее освещенности. Во всех современных трубках используется принцип накопления электрического заряда - независимо от явления фотоэффекта. Поверхность мишени передающей трубки можно представить в виде панели, состоящей из отдельных миниатюрных фотоэлементов с общим числом т ~ к Z2 (к - формат кадра, Z - число строк в кадре) и шунтирующих их равных емкостей С. В качестве коммутирующего устройства используется электронный луч. Когда на фотокатод (мишень) падает световой поток от соответствующего элемента оптического изображения, ток фотоэлемента в случае явления внешнего фотоэффекта будет заряжать элементарную емкость до определенного потенциала; в трубках, использующих явление внутреннего фотоэффекта - разряжать эти емкости, так как в последнем случае фотосопротивление шунтирует элементарную емкость. При этом на поверхности мишени формируется потенциальный рельеф (электрическое изображение объекта) - более освещенные участки имеют более высокий потенциал в случае использования мишени с внешним фотоэффектом, и наоборот - при использовании мишени с внутренним фотоэффектом. Когда электронный луч обегает поверхность мишени, происходит выравнивание потенциального рельефа за счет разряда элементарных емкостей в первом случае, и заряда - в случае фотокатода, использующего явление внутреннего фотоэффекта. При использовании явления внутреннего фотоэффекта получается как бы негативное изображение объекта. Передающая трубка «видикон». В видиконе применяется светочувствительная мишень с внутренним фотоэффектомНа рис. 8. 8 показано устройство видикона. На внутренней плоской стенке цилиндрической трубки / нанесена светочувствительная мишень 2, состоящая из прозрачной пленки металла и фотосопротивления.
На дно стеклянной трубки А (рис. 8,8, б) нанесен проводящий слой Б из двуокиси олова. От этого слоя сделан вывод наружу трубки для подключения сопротивления нагрузки RH. На проводящий слой нанесен тонкий слой фотосопротивления. Электронный луч формируется пушкой, состоящей из катода 3, управляющего электрода 4 и первого анода 5 Когда на мишень проектируется изображение, то проводимость отдельных точек мишени уже не будет одинаковой. В течение времени передачи кадра каждая из емкостей точек слоя с разной освещенностью разрядится до различных значений в зависимости от сопротивления слоя в этих точках. В результате к концу кадра на стороне мишени, обращенной к лучу, возникает потенциальный рельеф изображения. Когда мишень не освещена U=0, все элементарные конденсаторы заряжены. Заряд элементарных конденсаторов осуществляется источником напряжения Щ при соприкосновении их с электронным лучом. Электронный луч в данном случае играет роль коммутатора, который соединяет левые обкладки элементарных конденсаторов с общим проводом, имеющим потенциал катода . Когда электронный луч по очереди касается поверхности элементов мишени, то на время, равное времени нахождения луча на данной площадке, элементарные конденсаторы окажутся правыми обкладками, соединенными с землей через этот луч. Электронный луч в данном случае играет роль проводника, по очереди соединяющего правые обкладки элементарных конденсаторов с общим проводом (катодом). При соединении правых обкладок элементарных конденсаторов с общим проводом потечет ток заряда. Время заряда элементарного конденсатора несколько меньше времени нахождения электронного луча на данной элементарной площадке. Следовательно, пока электронный луч находится на поверхности элементарного участка, емкость успевает зарядиться до напряжения Разряд элементарных конденсаторов происходит в течение всего времени передачи кадра. С началом следующего кадра электронный луч, коммутируя элемент за элементом, восстанавливает нулевой потенциал мишени, подзаряжая элементарные конденсаторы. В момент коммутации через сопротивление нагрузки RH протекает ток, который создает на нем напряжение видеосигнала. Большей освещенности элемента мишени соответствует больший зарядный ток и, соответственно, большее напряжение сигнала. После считывания вновь формируется потенциальный рельеф следующего кадра. Недостатком видикона является сравнительно большая инерционность, что несколько препятствует его применению для передачи движущихся объектов.
38,Структурная схема телевизора черно-белого изображения Современные телевизоры строятся на специализированных микросхемах с применением микропроцессорных устройств управления по
41
|