Модуль 1 лінійні електричні кола

1.1. Застосовувані в електроніці електричні сигнали

В електротехніці й електроніці застосовують сигнали, що змінюються в часі за різними законами. Найпростіший сигнал – гармонічний – змінюється за законом синуса чи косинуса (рис. 1)

, (1)

де U_о – максимальне значення (амплітуда); ω = 2f – кутова частота (f – частота, 1/f = Т – період коливань); t – час; φ – початкова фаза.

Високочастотні (ВЧ) гармонічні коливання використовують, зокрема, для радіо- і телезв’язку. Однак ВЧ коливання тільки переносять інформацію (тому їх частоту й називають несучою). Сама ж інформація вноситься завдяки модуляції – зміні одного з параметрів ВЧ-коливань відповідно до зміни більш низькочастотного інформаційного сигналу (звукового, зображення). Залежно від того, який параметр змінюється, розрізняють амплітудну, частотну й фазову модуляції (рис.2, так наочно фазову модуляцію зобразити графічно важко).

Найпростіше здійснити амплітудну модуляцію, яка застосовується, зокрема, у радіозв’язку на довгих, коротких, середніх хвилях. Однак частотна модуляція набагато стійкіша до зовнішніх завад і застосовується в ультракороткохвильовому радіодіапазоні та телебаченні.

Рис. 1. Гармонічні коливання.

Рис. 2. Високочастотні коливання несучої частоти, амплітудомодульовані й фазовомодульовані високочастотні коливання.

У значній частині електронних приладів використовуються імпульси (рис. 3). Надзвичайно поширеними є імпульси прямокутної форми, що характеризуються точно визначеною амплітудою й тривалістю t (угорі). Ще однією характеристикою є частота імпульсів f та їх період Т =1/ f. Відношення періоду імпульсів до тривалості імпульсів називається скважністю

. (1)

Форма реальних імпульсів відхиляється від прямокутної (рис. 3, унизу). У цьому разі імпульс характеризується амплітудою (максимальним значенням) і тривалістю, яка визначається на рівні 0,5 від максимального значення. Реальні імпульси характеризуються також часом зростання і часом спаду, які визначаються часом зміни відповідно від 0,1 до 0,9U_о і від 0,9 до 0,1U_о. Деколи тривалість імпульсу визначається на рівні 0,1U_о.

Рис. 3. Ідеальні прямокутні імпульси (угорі) і реальний імпульс (унизу).

1.2. Подання інформаційного сигналу в цифровій формі

Сучасні методи віддають перевагу передачі, обробці й зберіганню інформації не в аналоговій формі, коли сигнал неперервно змінюється в часі відповідно до неперервної зміни фізичної величини, а в цифровій (бінарній) формі. Оскільки датчики (давачі, сенсори) фізичних величин видають аналогові сигнали, для переходу до цифрової форми широко застосовується імпульсно-кодова модуляція (ІКМ). Її суть полягає в наступному (рис. 4).

• Фіксуються не неперервні значення інформаційного сигналу, а його значення через проміжки часу Δ t, які називаються періодом дискретизації (дискретизація сигналу в часі).

• Діапазон зміни величини сигналу поділяється на рівні інтервали ΔU (крок квантування), а його значення «округлюється» до найближчого дискретного значення (квантування імпульсів за амплітудою).

• Дискретизовані значення імпульсів «шифруються» двозначним кодом, у результаті чого кожному квантованому значенню імпульсу ставиться у відповідність група 0 і 1, тобто цифровий сигнал (кодування квантованих імпульсів).

Інформаційний сигнал передається в цифровій формі, а для сприйняття інформації здійснюється перетворення цифрового сигналу в аналоговий. Пристрої для перетворення сигналу з аналогової форми в цифрову й навпаки називаються відповідно аналого-цифровими й цифро-аналоговими перетворювачами (АЦП і ЦАП).

Відтворений після подвійного перетворення сигнал більшою або меншою мірою спотворений порівняно з вхідним аналоговим сигналом. Вочевидь, чим менший крок дискретизації аналогового сигналу в часі Δ t і чим менший крок квантування за амплітудою ΔU, тим краще відтворюється його форма після демодуляції. Якісніша передача сигналу вимагає більшої частоти бітів інформації (0 і 1). Інакше кажучи, передача сигналів у цифровій формі потребує ширшу смугу частот.

Перетворення аналогового сигналу в цифровий і навпаки пояснюється на рис. 4 на прикладі кодування за допомогою 4-розрядного коду, який допускає 2⁴ = 16 комбінацій 0 і 1. Більша точність досягається при збільшенні розрядності коду. Наприклад, 8-розрядний код дозволяє вже 2⁸ = 256 комбінацій 0 і 1.

Цифрові методи запроваджені й для кодування алфавіту (латиниці й кирилиці), цифр і багатьох часто вживаних символів (подані, зокрема, на клавіатурі комп’ютера). Для цього достатньо 7-розрядного коду, але для розширення можливостей, зокрема передачі арабського й перського письма, в 1981 році було запроваджено 8-розрядний міжнародний код ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Звичайно кодова група з 8 бітів називається «байтом». Для передачі китайського та японського письма, що потребує не менше ~ 7 тисяч ієрогліфів (аж до 50 тисяч), 8-розрядного коду недостатньо. Тому з 1991 року став застосовуватись 2-байтний (16-бітний) код.

Рис. 4. Аналого-цифрове і цифро-аналогове перетворення сигналу.

Для передачі цифрових сигналів застосовують різні способи модуляції несучої частоти, зокрема амплітудну, частотну фазову або їх комбінацію (рис. 5).

Цифрові методи обробки, збереження й передачі інформації в цифровій формі в більшості витіснили маніпуляції з аналоговими сигналами. Це пояснюється очевидними перевагами цифрової техніки над аналоговою:

• більшою точністю (для чого потрібен багаторозрядний код),

• більшою надійністю (при обробці сигналу достатньо відрізняти 0 від 1),

• меншою чутливістю до дії зовнішніх факторів,

• можливістю більшої уніфікації елементної бази апаратури (спрощується налагодження, заміна, комплектування, ремонт апаратури),

• набагато нижчою вартістю цифрових пристроїв порівняно з аналоговими.

Рис. 5. Три види модуляції високочастотних коливань.