Основы электронной техники (стр. 11 )

9

Преобразование формы сигнала

Амплитудное ограничение, или клиппирование

Процесс выравнивания одного или обоих пиков сигнала переменного то­ка называется клиппированием, или ограничением. Это достигается по­средством перегрузки усилителя. При сильном ограничении (рис. 9.1(в)) сигнал, имеющий на входе форму синусоиды, превращается на выходе в сигнал почти прямоугольной формы.

Рис. 9.1. Клиппирование, или амплитудное ограничение.

Фиксация уровня

Схема фиксации уровня также известна под названием схемы восстано­вления постоянной составляющей. Она формирует переменный сигнал с постоянной составляющей, которой не было во входном сигнале. Схемы восстановления постоянной составляющей (ВПС) используются, напри­мер, для того, чтобы добавить постоянную составляющую к видеосигналу (рис. 9.2).

Связь по переменному току

Схема связи по переменному току производит на сигнал действие, проти­воположное действию схемы ВПС. Она удаляет постоянную составляю­щую из входного сигнала (рис. 9.3). Обычно эта схема бывает не сложнее конденсатора, который блокирует прохождение постоянной составляю­щей и пропускает в то же время переменную составляющую сигнала.

Рис. 9.2. Восстановление постоянной составляющей. (а) Постоянная составля­ющая в сигнале отсутствует. (б) Схема ВПС. (в) Постоянная составляющая восстановлена.

Рис. 9.3. Связь по переменному току-

Выпрямление

Выпрямление это процесс преобразования переменного тока в посто­янный посредством того, что ток имеет возможность протекать только в одном направлении. Выпрямители используются в источниках питания постоянного тока, а также в таких устройствах, как демодуляторы.

Выпрямление бывает двух видов:

а) Однополупериодное выпрямление. В этом случае срезается либо положительная, либо отрицательная полуволна сигнала. В результате на выходе, как видно из рис. 9.4, мы получаем лишь половину входного сигнала. Постоянная составляющая сигналов такой формы составляет 0,318 (приблизительно 1/3) от амплитудного значения.

Рис. 9.4. При однополупериодном выпрямлении уровень постоянной составля­ющей равен 0,318 от амплитудного значения Vр. (i) – проходит положительная полуволна,

(ii) – проходит отрицательная полуволна.

Рис. 9.5. При двухполупериодном выпрямлении уровень постоянной составля­ющей равен 0,636 от амплитудного значения Vp. На выходе обе полуволны ста­новятся или положительными (i), или отрицательными (ii).

6) Двухполупериодное выпрямление, при котором и положительная, и отрицательная полуволна входного сигнала приобретают одинаковую полярность (рис. 9.5). Постоянная составляющая в этом случае по срав­нению с первым случаем удваивается и составляет 0,636 (приблизительно 2/3) от амплитудного значения.

При однополупериодном выпрямлении частота выходного сигнала рав­на частоте входного сигнала, в то время как при двухполупериодном вы­прямлении частота выходного сигнала удваивается по сравнению с часто­той сигнала на входе.

Фильтры

В электронных схемах часто бывает необходимо отделить одну полосу частот от другой. Фильтр пропускает сигналы одной определенной поло­сы частот, блокируя в то же время прохождение сигналов других частот. Существует три основных типа фильтров.

(а) Фильтр верхних частот, пропускающий только высокие часто­ты и блокирующий прохождение всех низких частот. В случае подачи на вход фильтра сложного сигнала будут пропущены только высокочастот­ные гармоники, а основная и низкочастотные гармоники будут сильно ослаблены.

(б) Фильтр нижних частот, пропускающий низкие частоты и бло­кирующий прохождение всех высоких частот. В случае подачи на вход фильтра сложного сигнала на выходе будут получены основная и низко­частотные гармоники, а высокочастотные гармоники будут сильно осла­блены.

(в) Полосовой фильтр, пропускающий лишь сигналы определенной полосы частот и отсекающий все частоты, лежащие выше или ниже за­данной полосы.

Прямоугольный сигнал

Как уже говорилось в гл. 3, сигнал прямоугольной формы является слож­ным сигналом и состоит из основной гармоники и бесконечного числа не­четных гармоник. Таким образом, прямоугольный сигнал имеет в своем составе как низкочастотные компоненты (основная и низшие гармоники), так и высокочастотные (высшие гармоники). В самом прямоугольном сигнале низкочастотные компоненты формируют его плоскую вершину и плоское основание, а высокочастотные — круто нарастающий фронт и резко спадающий срез.

Когда прямоугольный сигнал подается на фильтр, то в зависимости от типа фильтра отсекаются либо высокочастотные, либо низкочастотные составляющие сигнала.

Дифференциатор

Дифференциатор является фильтром верхних частот. При подаче прямо­угольного сигнала на вход дифференциатора на его выходе мы получаем только высокочастотные компоненты в виде острых зубцов положитель­ной и отрицательной полярности. Такие короткие импульсы, или всплески, показаны на рис. 9.6. Каждому циклу входного сигнала соответству­ют два импульса на выходе. Амплитуда этих импульсов равна амплитуде входного сигнала.

Рис. 9.6. Дифференциатор.

Интегратор

Интегратор является фильтром нижних частот. При подаче прямоуголь­ного сигнала на вход интегратора на его выходе мы получаем только низ­кочастотные компоненты, а именно, плоские части сигнала. В идеале на выходе должен быть получен постоянный ток. Однако в реальных схе­мах на выходе интегратора получается треугольный сигнал. Амплитуда этого сигнала меньше, чем амплитуда входного прямоугольного сигнала (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Интегратор.

Воздействие дифференциатора и интегратора на сигнал прямоугольной формы

На рис. 9.8 показано, как изменяется прямоугольный сигнал после про­хождения через дифференциатор и через интегратор.

Рис. 9.8. Дифференцирование и интегрирование прямоугольного сигнала.

Воздействие дифференциатора и интегратора на сигнал синусоидальной формы

Синусоидальный сигнал является простым сигналом, поэтому при прохождении, как через дифференциатор, так и через интегратор его форма не претерпевает никаких изменений. Изменяется лишь амплитуда сиг­нала. Поскольку дифференциатор является фильтром верхних частот, то он не изменяет амплитуды высокочастотного синусоидального сигна­ла. Амплитуда же низкочастотного сигнала при прохождении через диф­ференциатор будет уменьшаться. Интегратор действует наоборот: оста­вляет неизменной амплитуду низкочастотного синусоидального сигнала и уменьшает амплитуду высокочастотного.

10

Источники питания I

Электрические цепи можно разбить на два типа: активные и пассивные. Примерами активных цепей являются усилители и генераторы. Резистивные цепи (состоящие из резисторов), аттенюаторы и трансформаторы — это пассивные цепи. В отличие от пассивных цепей, которые начинают работать просто при их включении в электронную схему, активные цепи требуют подвода энергии постоянного тока. Эту энергию можно получить от батареи или сетевого источника питания.

Источник питания постоянного тока — это устройство, которое пре­образует энергию переменного тока в энергию постоянного тока. Он обыч­но используется для преобразования напряжения электросети в напря­жение постоянного тока различной величины.

В этой главе представлены только блок-схемы различных типов вы­прямителей и дана их краткая характеристика. Более подробное изло­жение приведено в гл. 29.

Блок-схема

На рис. 10.1 показаны блок-схемы источников постоянного тока на осно­ве однополупериодного (а) и двухполупериодного (б) выпрямителей. В качестве входного напряжения переменного тока обычно используется напряжение электросети. В обоих случаях первый каскад представляет собой выпрямитель (однополупериодный или двухполупериодный). Вы­ходное напряжение выпрямителя состоит из двух составляющих: посто­янной и довольно значительной переменной. Такое выходное напряжение называется пульсирующим, и оно, вообще говоря, непригодно для пита­ния электронных схем постоянным током. Чтобы исключить переменную составляющую, применяется сглаживающий фильтр (фильтр нижних ча­стот), который подавляет эту составляющую до уровня очень малых пульсаций и полностью пропускает постоянную составляющую. Частота пульсаций определяется типом используемого выпрямителя. В однополупериодном выпрямителе пульсации имеют ту же частоту, что и вход­ное напряжение, на выходе двухполупериодного выпрямителя — вдвое выше.

Во многих источниках постоянного тока перед выпрямителем устана­вливается трансформатор, преобразующий сетевое напряжение к требуе­мому уровню входного напряжения выпрямителя (рис. 10.2). Коэффициент трансформации используемого трансформатора определяет уровень выходного напряжения источника питания.

Рис. 10.1. Источники питания постоянного тока.

Рис. 10.2. Источник питания постоянного тока с трансформатором.

Нагрузочная характеристика

Выходное напряжение на выводах любого источника питания постоян­ного тока, включая и батареи, максимально в отсутствие нагрузки (на­пряжение холостого хода), то есть когда от источника не потребляет­ся ток. При подаче тока в нагрузку это напряжение уменьшается из-за влияния внутреннего сопротивления источника питания. Зависимости величины выходного напряжения источника питания от величи­ны тока нагрузки называется нагрузочной характеристикой (кривой) ис­точника питания. Типичная нагрузочная характеристика показана на рис. 10.3.