Министерство образования
Российской Федерации
Тульский государственный университет
Кафедра систем автоматического управления
Б.И.ДУБОВИК
к.т.н., доцент
ЭЛЕКТРОНИКА
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов
направления 550200 (Автоматизация и управление)
специальности 210500 (Системы управления летательными аппаратами) , 071800 (Мехатроника)
Формы обучения очной
Тула 1999
Лекция № 1. Введение. Электрические сигналы.
План лекции.
1. Роль электроники в научно-техническом прогрессе;
2. Основные определения. Аналоговые и цифровые сигналы;
3. Основные параметры сигналов;
4. Классификация сигналов.
Введение.
За последние 30 лет произошло активное обновление технических средств цифровой и аналоговой электроники. Появилась интегральная схемотехника, созданы средние и большие интегральные схемы, микропроцессоры. В последнее время трудно найти какую-либо отрасль науки и техники, развитие которой не было бы связано с вопросами эффективного применения современных средств интегральной схемотехники. Как правило, применение подобных средств способствует научно-техническому прогрессу и говорит об уровне развития данной технической отрасли.
Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю. Первый ее период связан с простейшими передатчиками ключевого действия и, способными воспринимать их сигналы приемниками, которые появились в начале нашего века. Затем наступила эпоха вакуумных ламп, которая ознаменовала собой возможность претворения в жизнь смелых идей. Сейчас мы являемся свидетелями нового этапа развития электроники, связанного с появлением элементов на твердом теле и характеризующегося неиссякаемым потоком новых ошеломляющих достижений. Технология изготовления больших интегральных схем (БИС) дает возможность производить такие кристаллы кремния, на основе которых создают калькуляторы, вычислительные машины и т.п.
В настоящее время невозможно представить себе не только научные исследования, но и повседневную жизнь без электронной аппаратуры. Электроника стала неотъемлемой частью нашей жизни. В быту и на производстве, в научно-исследовательском институте и конструкторском бюро – всюду мы сталкиваемся с электроникой. Именно она позволяет создать современные вычислительные машины, мощные источники электромагнитных волн, и аппаратуру выполняющую тончайшие операции. Электронная аппаратура широко используется не только специалистами, но и многочисленным отрядом инженерно-технических и научных работников, не имеющих радиотехнической подготовки. Чтобы рационально использовать ее необходимые знания по электронике.
Предлагаемый курс лекций имеет своей целью дать необходимую подготовку по современной электронике и радиоэлектронике.
Электрические сигналы.
Сигналом является любая физическая переменная величина, значение которой или ее изменение во времени содержит информацию. Эта информация может относиться к речи и музыке, например, в радиопередаче, или к таким физическим величинам как температура воздуха в комнате, скорость движения автомобиля и т.д. Физическими переменными, которые могут нести информацию в электрических системах, являются напряжение и ток. Поэтому, когда мы будем говорить в дальнейшем о сигнале, то значит будем подразумевать напряжение или ток.
Рис. 1.1. Схема для измерения температуры.
Сигналы могут быть аналоговыми или цифровыми. Аналоговый сигнал переносит информацию в виде непрерывного изменения во времени напряжения или тока. Примером аналогового сигнала служит напряжение, создаваемое на спаях термопары, находящихся при разных температурах (рис. 1.1).
При изменении разности температур между спаями изменяется величина напряжения на концах термопар. Таким образом, напряжение дает аналоговое представление разности температур (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Графики изменения разности температур и напряжения.
Другим видом сигнала является цифровой сигнал. Он может принимать значения в пределах двух дискретных областей. Такие сигналы используются для представления информации типа “включено-выключено" или "да-нет". Например, терморегулятор на утюге вырабатывает цифровой сигнал для управления нагревателем. Когда температура утюга падает ниже предварительно установленного значения, переключатель регулятора замыкает контакты и включает нагреватель. Как только температура утюга становится достаточно высокой, переключатель дает цифровое представление изменения температуры: "включено" соответствует состоянию "утюг слишком остыл", а "выключено" – "утюг слишком нагрелся.
Современная радиоэлектроника имеет дело с самыми разными сигналами и для их классификации вводят 3 основных параметра: длительность, динамический диапазон и ширину спектра сигнала. Всякий сигнал, являющийся некоторой временной функцией имеет начало и конец. Длительностью сигнала называют интервал времени, в течение которого он существует. Динамическим диапазоном сигнала называют отношение максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной. Динамический диапазон выражается обычно в [дб], т.е. 10 lg (Pmax/Pmin)
В реальных условиях минимальная мощность сигнала ограничена уровнем помех, который она всегда должна превышать. Наконец, для сравнения характера различных сигналов вводят понятие СПЕКТРА. Для этого сигнал представляют в виде суммы некоторых эталонных колебаний, и по ним судят о характере реального сигнала. Такими эталонными колебаниями могут быть самые различные временные функции, но наиболее часто применяют гармонические. При этом, если спектр напряжения или тока (т.е. сигнала) содержит только постоянную составляющую, то говорят, что в данном случае имеем дело с постоянным напряжением или током. Примером источника постоянного тока служит батарея. Если же спектр напряжения или тока содержит одну гармонику, то в этом случае имеют дело с переменным сигналом, изменяющимся по синусоидальному закону.