Основы электронной техники (стр. 8 )

Рис. 5.12. Применение буферного каскада.

Генератор сигналов низкой частоты

Генератор низкочастотных (НЧ) сигналов (рис. 5.13) вырабатывает сиг­нал и задает его частоту. НЧ-сигнал усиливается по напряжению для по­лучения необходимого размаха напряжения, обеспечивающего «раскач­ку» выходного каскада. Выходной каскад представляет собой усилитель мощности, передающий мощность в нагрузку. НЧ-генератор, усилитель напряжения и выходной каскад усиления мощности получают необходи­мую электрическую энергию от источника питания постоянного тока.

Рис. 5.13. Генератор низкочастотных сигналов.

Прежде чем попасть в нагрузку, электрический сигнал проходит через аттенюатор. Аттенюатор — это пассивный элемент (следовательно, не требующий питания), который контролирует уровень выходного сигнала. Он содержит:

а) ступенчатый аттенюатор, обеспечивающий регулировку уровня сиг­нала с шагом 20 дБ (10-кратное изменение уровня за один шаг) и

б) плавный аттенюатор, обеспечивающий плавную и точную регули­ровку уровня выходного сигнала.

6

Резонанс

Последовательный резонанс

Рассмотрим цепь (последовательный резонансный контур) на рис. 6.1, где резистор R включен последовательное катушкой индуктивности L и кон­денсатором С. Резистор R может быть реальным резистором или может представлять активное сопротивление катушки индуктивности. Величи­на сопротивления этого резистора не зависит от частоты, т. е. сохраня­ет постоянное значение при всех частотах. Реактивные сопротивления катушки индуктивности и конденсатора, напротив, являются частотно-зависимыми. При увеличении частоты, начиная от 0 Гц, реактивное со­противление катушки индуктивности возрастает, а реактивное сопроти­вление конденсатора уменьшается. При достижении некоторой частоты f0 реактивные сопротивления ХL и ХC обоих элементов сравниваются. Говорят, что схема находится в резонансе и f0 – резонансная частота.

На резонансной частоте противофазные реактивные сопротивления ХL и ХC компенсируют друг друга, в результате чего импеданс, или полное сопротивление, цепи становится чисто резистивным Z = R. Это минимум полного сопротивления Z, поэтому па резонансной частоте элек­трический ток в цепи достигает своего максимального значения, что ил­люстрирует АЧХ на рис. 6.2. Поскольку последовательный резонансный контур характеризуется максимальным значением тока в резонансе, его называют также схемой отбора тока.

Рис. 6.1. Последовательный резо­нансный Рис. 6.2. АЧХ последовательного

контур. резонансного контура.

Рис. 6.4. АЧХ параллельного резонансного контура.

Рис. 6.3. Параллельный резонансный контур.

Параллельный резонанс

Резонанс может быть получен также при параллельном соединении ка­тушки индуктивности и конденсатора (рис. 6.3). При одном конкретном значении частоты, определяемом номиналами элементов L и С, реактив­ное сопротивление катушки индуктивности компенсирует реактивное со­противление конденсатора, в результате чего достигается резонанс. Пол­ное сопротивление цепи на резонансной частоте теперь максимально, по­этому напряжение также достигает своего максимального значения. Дан­ная схема называется схемой режекции. АЧХ или частотная зависи­мость импенданса для этой схемы показана на рис. 6.4.

Как для последовательного, так и для параллельного резонанса резо­нансная частота определяется выражением

Полагая L = 10 мГн и C = 1 мкФ, получаем f0 = 1,59 кГц.

Заметим, что резонансная частота не зависит от сопротивления резистора в схеме.

Полоса пропускания и избирательность

Резонансные цепи используются главным образом в качестве частотно-избирательных цепей из-за селективности их АЧХ. Обычно использу­ются параллельные частотно-избирательные цепи, поскольку они характеризуются высоким импедансом и, следовательно, большим выходным напряжением.

Рис. 6.5. АЧХ частотно-избирательной цепи (∆f – ширина полосы про­пускания).

Рис. 6.6. Влияние шунтирования на АЧХ частотно-избирательной це­пи.

1 – без шунтирующего резисто­ра;

2 – с шунтирующим резистором.

АЧХ частотно-избирательной цепи показана на рис. 6.5. Ширина по­лосы пропускания определяется между точками по уровню 3 дБ, как по­казано на рисунке. Избирательность (селективность) такой цепи – это мера ее способности подавлять соседние частоты в пользу выделения тре­буемой частоты настройки. Цепь с более высокой избирательностью име­ет более узкую полосу пропускания по сравнению с менее избирательной цепью, имеющей более широкую полосу пропускания. Избирательность Цепи задается параметром Q, который называется добротностью и опре­деляется как

Таким образом, чем выше избирательность схемы, тем выше ее добротность, и наоборот.

Демпфирование

В тех применениях, где требуется широкая полоса пропускания, например в ТВ-приемниках, нужны низкодобротные частотно-избирательные цепи. Низкую добротность можно получить путем шунтирования параллельно­го контура резистором Д, как показано на рис. 6.6(а). Резистор оказывает так называемый демпфирующий эффект на АЧХ частотно-избирательной цепи, уменьшая селективность последней (рис. 6.6(б)).

Затухающие колебания

Рассмотрим резонансный контур, настроенный на частоту 1 кГц. По­скольку этот контур подавляет все другие частоты, то единственным сиг­налом, который можно снять с его выводов, является синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц. Такой выходной сигнал может быть получен путем подачи в контур энергии переменного тока, в результате чего воз­никают синусоидальные колебания. Эта энергия может подаваться в виде гармонического сигнала резонансной частоты или в виде сигнала слож­ной формы, имеющего гармонику на резонансной частоте.

На рис. 6.7 показан резонансный контур, настроенный на частоту 3,3 кГц, который возбуждается периодическим сигналом в виде меандра с частотой 1 кГц. В контуре возникают незатухающие колебания на часто­те третьей гармоники возбуждающего сигнала (т. е. на частоте 3,3 кГц). На рис. 6.8 показан тот же самый контур, но возбуждаемый ступенькой напряжения при замыкании ключа S. Сигнал ступенчатой формы содержит бесконечное число гармоник, что обеспечивает возбуждение колеба­ний в контуре на его резонансной частоте 3,3 кГц.

Рис. 6.7. Резонансный контур, генерирующий колебания на третьей гармонике возбуждающего сигнала.

Рис. 6.8. Затухающие колебания в резонансном контуре, возбуждаемые сигна­лом ступенчатой формы.

Однако эти колебания демпфируются, т. е. затухают, так как энергия, переданная в контур при ступенчатом изменении напряжения, постепенно теряется за счет малых потерь в катушке индуктивности и конденсаторе, а также из-за наличия сопротивления соединительных проводов и т. п. Через некоторое время колебания полностью прекращаются. Аналогичные затухающие колеба­ния в резонансном контуре можно также получить путем размыкания ключа S.

Колебания, возбуждаемые в резонансном контуре, обязательно будут затухающими, если среднее по времени количество электрической энер­гии, передаваемой в этот контур, недостаточно для компенсации указан­ных выше потерь в контуре.

7

Трансформаторы

Электромагнетизм

Электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле (рис. 7.1). Направление возникающего маг­нитного поля определяется направлением тока.

Способ обозначения направления электрического тока в проводнике показан на рис. 7.2: точку на рис. 7.2(а) можно воспринимать как острие стрелки, указывающей направление тока к наблюдателю, а крестик – как хвост стрелки, указывающей направление тока от наблюдателя.

Магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, показано на рис. 7.3. Направление этого поля легко определяется с помощью правила правого винта (или правила буравчика): если острие буравчика совме­стить с направлением тока, то при его завинчивании направление враще­ния рукоятки будет совпадать с направлением магнитного поля.

Рис. 7.1. Магнитное поле вокруг проводника с током.

Рис. 7.2. Обозначение направления тока (а) к наблюдателю и (б) от на­блюдателя.

Рис. 7.3. Направление магнитного поля вокруг проводника с током.

Поле, создаваемое двумя параллельными проводниками

1. Направления токов в проводниках совпадают. На рис. 7.4(а) изобра­жены два параллельных проводника, расположенные на некотором рас­стоянии друг от друга, причем магнитное поле каждого проводника изо­бражено отдельно. В промежутке между проводниками создаваемые ими магнитные поля противоположны по направлению и компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле показано на рис. 7.4(б). Если из­менить направление обоих токов на обратное, то изменится на обратное и направление результирующего магнитного поля (рис. 7.4(б)).