И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Рис. 1.22. Неискаженное (а) и искаженное (б, в) синусоидальные колебания

Это колебание, в котором изменение мгновенного значения протекает во времени по линейному закону (рис. 1.23). В общем случае времена нарастания Т1 и убывания Т2 мгновенного значения колебания не равны. В некоторых применениях одно из этих времен (обычно более длительное) называется рабочим или активным временем, а другое — временем возврата или пассивным временем.

Пилообразные колебания используются в телевидении, а также в устройствах с осциллографическими электронно-лучевыми трубками.

Рис. 1.23. Пилообразное колебание

Это колебание, мгновенное значение которого изменяется во времени по случайному закону. Накладываясь на полезное колебание, оно может привести к нежелательным эффектам. Помимо внешних, посторонних помех, таких как помехи от сетей электропитания, радиостанций, атмосферных, существуют весьма нежелательные собственные помехи или шумы, возникающие внутри устройств и проявляющиеся в виде большого количества случайных импульсов со случайным распределением частот следования и фазовых углов. Это уже не периодический, а случайный, или вероятностный, процесс.

Большую роль играют тепловые и дробовые шумы. Первые возникают в элементах цепей и зависят от сопротивления элемента и его температуры, вторые — в полупроводниковых приборах и электронных лампах и связаны, в частности, со случайным движением носителей заряда или неравномерной эмиссией электронов из катода.

Уровень шумов определяется значением их средней энергии. Шумовые свойства схем и устройств часто определяют с помощью коэффициента шума.

Дать точное определение трудно. В общем можно принять, что определение «импульс» чаще всего относится к электрическому процессу с малым временем длительности, причем само определение «малое» является относительным. Оно мало по сравнению с временем, когда импульс отсутствует (например, с временем перерыва между двумя последующими импульсами). Часто определение «импульс» используется неправильно, по отношению к половине симметричного прямоугольного колебания, даже когда ее длительность относительно велика.

Импульсы могут быть положительными или отрицательными по отношению к некоторому уровню отсчета. Могут быть одиночными или повторяющимися. Повторение импульсов может быть непериодическим или периодическим. Примеры различных импульсов приведены на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Примеры электрических импульсов

Электрический импульс характеризуется следующими основными параметрами: длительностью, частотой повторения пиковым значением (амплитудой), временем нарастания, формой колебания.

Длительность импульса определяется обычно на уровне, соответствующем половине вершины (амплитуды) импульса (рис. 1.25).

Частота повторения импульсов выражается зависимостью

fи = 1/(Т1 + Т2) = 1/T.

Пиковое, среднее и действующее значения находят так же, как и для синусоидального колебания, но очевидно, что численные значения коэффициентов отличаются и зависят от параметров импульсов.

Рис. 1.25. Определение длительности импульса

Время формирования фронта импульса определяет крутизну фронта (при заданном значении амплитуды), выраженную в единицах времени. Чаще всего его определяют как время, за которое мгновенное значение импульса нарастает от 10 до 90 % установившегося значения (рис. 1.26). Аналогично находят и время среза (от 90 до 10 %); время формирования фронта обычно обозначают tф. Невозможно создать импульсы с tф = 0, поскольку любое физическое явление, также и нарастание тока в цепи, требует определенного времени. Длительность фронта зависит от устройства, в котором импульс был сформирован, нот элементов этого устройства, Поэтому, если говорить точно, на практике могут существовать не прямоугольные, а лишь трапецеидальные импульсы. Однако название «прямоугольные» используется повсюду по отношению к импульсам с малым временем фронта и среза по сравнению с длительностью импульса.

Рис. 1.26. Определение длительности фронта и среза импульса

Определение «выброс импульса» относится к той части прямоугольного импульса, на которой наблюдается короткое, но резкое увеличение мгновенного значения и которая предшествует вершине, т. е. той части импульса, для которой мгновенное значение постоянно или почти постоянно (рис. 1.27). Во многих применениях наличие выбросов является нежелательным эффектом.

Рис. 1.27. Форма импульса с выбросом

Основным электрическим сигналом является синусоидальный, который в «чистом» (неискаженном) виде представляет собой периодическое колебание, точно соответствующее одиночной синусоиде без гармонических составляющих. Прямоугольное колебание и другие периодические колебания, как уже указывалось выше, можно представлять с помощью суммы ряда (теоретически бесконечного) периодических колебаний с разными частотами, амплитудами и фазовыми углами. График, представляющий набор амплитуд отдельных гармонических составляющих колебания, называют его спектром (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Спектр прямоугольного периодического колебания

Спектр периодического колебания имеет дискретный линейный характер, т е. в нем присутствуют определенные гармонические составляющие, являющиеся целыми, кратными основной частоте f1. Обычно наибольшую амплитуду Аk имеют составляющие kf1, с относительно низкими частотами, а амплитуды высших гармоник в общем относительно малы. Можно показать, что последние возрастают, когда импульсы становятся более узкими либо когда их крутизна становится большей: время фронта убывает. Для правильного воспроизведения формы импульса электронные узлы, через которые проходят импульсы, должны иметь определенную полосу пропускания. Ширина этой полосы связана с временем фронта tф следующей зависимостью: ширина полосы не менее 1/2tф. Если время нарастания выразим в микросекундах, то ширину полосы получим в мегагерцах.

Спектр непериодического колебания, например одиночного импульса, имеет непрерывный (сплошной) характер без точно определенных гармонических составляющих. Спектр сигнала изображения в телевидении периодичен. Но форма сигнала в каждом периоде отлична и представляет набор спектральных линий, перемещающихся вблизи состояния покоя, соответствующего простому неподвижному изображению.

Это распространение в пространстве электрической энергии в виде переменных электрического и магнитного полей. Связанная с этим излучением электромагнитная волна переносит электрическую энергию на расстояние. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна примерно 300 000 км/с. Электромагнитная волна характеризуется частотой или длиной полны.

Связь Между частотой f и длиной волны λ в пространстве выражается следующим образом:

λ = с·Т = c/f,

где с — скорость света. Если λ выразим в метрах, а f — в килогерцах, то λ = 3·105/f, а если / в мегагерцах, то λ = 3·102/f.

Электромагнитные волны известны и достаточно изучены в диапазоне частот практически от 0 до 1023 Гц. Спектр электромагнитных волн приведен в табл. 2.1.

На практике для радиосвязи используются волны с частотами от 104 до 1011 Гц, т. е. с длиной волны λ от 30 км до нескольких миллиметров. Классификация электромагнитных волн, применяемых в электронике и радиоэлектронике, приведена в табл. 2.2[3].