«Радиоволны» передают музыку, разговоры, фотографии и данные незримо через воздух, часто более чем миллионы миль - это происходит каждый день тысячами различных способов! Даже при том, что радиоволны невидимы и абсолютно необнаружимы людьми, они полностью изменили общество. Говорим ли мы о сотовом телефоне, радионяне, беспроводном телефоне или о ком-либо из тысяч других беспроводных технологий, все они используют радиоволны для осуществления коммуникации.
Вот всего несколько повседневных технологий, которые значительным образом зависят от радиоволн:
- Радиопередачи AM и FM
- Беспроводные телефоны
- Беспроводные сети
- Радиоуправляемые игрушки
- Телевизионные передачи
- Сотовые телефоны
- GPS-приёмники
- Любительские радио
- Спутниковая связь
- Полицейское радио
- Беспроводные часы
Шутка-минутка
Самое смешное, что, по своей сути, радио является невероятно простой технологией. С помощью всего лишь нескольких электронных компонентов, которые стоят не более одного или двух долларов, вы можете создавать простые радиопередатчики и приёмники. История того, как что-то настолько простое стало основной технологией современного мира является захватывающей. В сегодняшней статье мы рассмотрим технологию под названием «радио», так что вы сможете полностью понять, как невидимые радиоволны делают столько много вещей, и нашу жизнь проще.
Простейшее радио
Радио может быть невероятно простым, и на рубеже веков эта простота сделала раннее экспериментирование возможным для примерно любого человека. Как просто получить радио? Один из примеров описывается далее:
- Возьмите свежую 9-вольтовую батарейку и монету
- Найдите AM-радио и настройте его на область дисков, где будет слышна статика
- Теперь держите батарейку вблизи антенны и быстро нажмите на два контакта аккумулятора монетой (так, чтобы вы соединили их вместе на мгновение)
- Вы услышите потрескивание в радио, которое вызвано связью и разъединением монеты
Более сложное радио
Если вы хотите получить немного более сложное радио, используйте металлический файл и два куска проволоки. Соедините ручку файла к одному контакту 9-вольтовой батарейки, затем соедините второй кусок проволоки ко второму контакту и запустите конструкцию проводя вверх и вниз по файлу. Если вы сделаете это в темноте, вы сможете увидеть, как очень маленькие 9-вольтовые искры бегут вдоль файла, поскольку наконечник проволоки производит соединение и разъединение. Держите файл около AM-радио и тогда услышите много статики.В первые дни радиопередатчики были названы искровыми катушками, и, кроме того, они создавали непрерывный поток искр при гораздо более высоких напряжениях (например, 20000 вольт). Высокое напряжение, соответственно, поспособствовало созданию больших искр, таких, какие вы видите в свече зажигания, например. Сегодня такой передатчик, как этот, незаконен, потому что спамит весь спектр радиочастот, но в первые дни он работал отлично и был очень распространён потому, что было не много людей, использующих радиоволны.
Основы радио: части
Как вы могли заметить из предыдущего раздела, создавать статику невероятно легко. Однако все радиостанции сегодня используют непрерывные волны синуса для передачи информации (аудио, видео, различные данные). Причина, по которой мы используемые непрерывные волны синуса сегодня - потому что есть много различных людей и устройств, которые в то же время хотят использовать радиоволны. Если бы у вас был какой-либо способ видеть их, то вы нашли бы, что есть буквально тысячи различных радиоволн (в форме волн синуса) вокруг вас прямо сейчас - телепередачи, радиопередачи AM и FM, полицейские и пожарные радио, спутниковые телевизионные передачи, разговоры сотовых телефонов, GPS-сигналы и так далее. Также удивительно, как много применений существует для радиоволн сегодня. Каждый отличающийся радиосигнал использует различную частоту волны синуса, и именно так они все разделены.
У любой радио-установки есть две части: передатчик (трансмиттер) и приёмник (ресивер). Передатчик перехватывает своего рода сообщение (это может быть звук чьего-либо голоса, изображение экрана телевизора, данные для радиомодема или любое другое что-то), кодирует его на волну синуса и передаёт с радиоволнами. Приёмник же, понятное дело, принимает радиоволны и расшифровывает сообщение от волны синуса, которую оно получает. И трансмиттер и ресивер используют антенны, чтобы излучить и захватить радиосигнал.
Основы радио: реальные примеры
Радионяня примерно так же проста, как и получаемая технология радиосвязи. Существует передатчик, который «сидит» в комнате ребёнка и приёмник, что родители используют, чтобы слушать своё чадо. Вот некоторые из важных характеристик типичной радионяни:
- Модуляция : Амплитудная Модуляция (Amplitude Modulation, AM)
- Диапазон частот : 49 МГц
- Количество частот : 1 или 2
- : 0.25 Вт
Типичная радионяня с передатчиком слева и приёмником справа. Передатчик находится, непосредственно, в комнате ребёнка и служит некой мини-радиостанцией. Родители же берут с собой приёмник и с помощью него слушают деяния ребёнка. Дальность связи ограничивается до 200 футов (61 метр)
Не волнуйтесь, если такие термины, как «модуляция» и «частота» не имеют смысла для вас сейчас - мы доберёмся до них через некоторое время и я объясню, что они значат.
Мобильный телефон содержит в себе как приёмник, так и передатчик, и оба работают одновременно на разных частотах. Сотовый телефон взаимодействует с сотовой вышкой и способен передавать сигналы на расстояние 2 или 3 мили (3-5 километров)
Сотовый телефон также радио и является гораздо более сложным устройством. Сотовый телефон содержит как передатчик, так и приёмник, и вы можете использовать одновременно их оба - так вы будете использовать сотни различных частот и сможете автоматически переключаться между ними. Вот некоторые из важных характеристик типичного аналогового сотового телефона:
- Модуляция : Частотная Модуляция (Frequency Modulation, FM)
- Диапазон частот : 800 МГц
- Количество частот : 1.664
- Мощность передатчика (трансмиттера) : 3 Вт
Простые передатчики (трансмиттеры)
Вы можете получить представление о том, как работает радиопередатчик, начиная с батарейки и куска проволоки. Как известно, батарея посылает электричество (поток электронов) через провод при подключении его между двумя контактами. Движущиеся электроны создают магнитное поле, окружающее провод, и поле достаточно сильное, чтобы повлиять на компас.
Давайте предположим, что вы берёте ещё один провод и помещаете его параллельно провода аккумулятора на несколько дюймов (5 сантиметров). При подключении очень чувствительного вольтметра к проводу произойдёт следующее: каждый раз, когда вы подключаете или отключаете первый провод от батареи, вы ощутите очень маленькое напряжение и ток во втором проводе; любое изменение магнитного поля может вызвать электрическое поле в проводнике - это основной принцип, лежащий в любом электрическом генераторе. Итак:
- Батарея создаёт поток электронов в первом проводе
- Подвижные электроны создают магнитное поле вокруг провода
- Магнитное поле простирается до второго провода
- Электроны начинают течь во втором проводе каждый раз, когда магнитное поле в первом проводе изменяется
Одна важная вещь, заметьте, состоит в том, что поток электронов во втором проводе только тогда, когда вы соединяете или разъединяете батарею. Магнитное поле не вызывает электроны течь в проводе, если магнитное поле не меняется. Подключение и отключение батарейки меняет магнитное поле (подключение аккумулятора к проводу создаёт магнитное поле, в то время как отключение разрушает его). Таким образом протекает поток электронов во втором проводе в те два момента.
Передача информации
Если у вас есть волна синуса и передатчик, который передаёт волну синуса в космос с антенной, у вас есть радиостанция. Единственная проблема заключается в том, что волна синуса не содержит никакой информации. Вы должны смодулировать волну в некотором роде, чтобы закодировать информацию на ней. Есть три распространённых способа смодулировать волну синуса:
Импульсная Модуляция - в PM вы просто включаете волну синуса и отключаете. Это простой способ отправить код Азбуки Морзе. PM не настолько распространана, но один хороший пример её - система радиосвязи, которая посылает сигналы в радиоуправляемые часы в Соединённых Штатах Америки. Один передатчик PM в состоянии покрыть все Соединённые Штаты Америки!
Частота
Одна особенность волны синуса - своя частота. Частота волны синуса - количество раз, сколько колеблется она вверх и вниз в секунду. Когда вы слушаете радиопередачу AM, ваше радио настраивается на волну синуса с частотой приблизительно 1000000 циклов в секунду (циклы в секунду известны также как герцы). Например, 680 на дайле AM - это 680000 циклов в секунду. Радиосигналы FM работают в диапазоне 100000000 герц. Таким образом, 101.5 в дайле FM будет значится как 101500000 циклов в секунду.
Приём сигнала AM
Вот пример реального мира. При настройке вашего автомобильного AM-радио на станции, например, 680 на циферблате AM - значит, что волна синуса передатчика передаёт 680000 герц (волна синуса повторяет 680000 раз в секунду). Голос диджеев модулируется на этой несущей волне путём изменения амплитуды волны синуса передатчика. Усилитель усиливает сигнал на что-то вроде 50000 Вт для большой AM-станции. Тогда антенна передаёт радиоволны в космос.
Так как же AM-радио вашего автомобиля - приёмник - получает 680000-герцевый сигнал, который послан передатчиком и извлекает информацию (голос диджея) из него? Далее я перечислю вам шаги данного процесса:
- Если вы не сидите прямо рядом с передатчиком, ваш радиоприёмник нуждается в антенне, чтобы помочь подобрать радиоволны передатчика из воздуха. AM-антенна представляет собой просто провод или металлическую палку, которая увеличивает количество металла, с которым могут взаимодействовать волны передатчика.
- Также ваш радиоприёмник нуждается в тюнере. Антенна будет получать тысячи волн синуса. Работа тюнера заключается в отделении одной волны синуса от тысяч различных радиосигналов, которые получает антенна. В этом случае приёмник настроен на получение сигнала 680000 герц. Тюнеры работают используя принцип, называющийся резонанс, то есть тюнеры резонируют и усиливают одну особую частоту, в то время как все другие частоты игнорируются в воздухе. Резонатор, к слову, легко создать с помощью конденсатора и катушки индуктивности.
- Тюнер заставляет радио получать всего одну частоту волны синуса (в нашем случае 680000 герц). Теперь радио должно извлечь голос диджея из этой волны синуса - это делается посредством одной из частей радио под названием детектор или демодулятор. В случае с AM-радио, детектор выполнен так, что имеет электронные компоненты, называемые диодами. Диод позволяет току течь в одном направлении и только через него.
- Радио затем усиливает обрезанный сигнал и посылает его спикерам (или наушникам). Усилитель выполнен из одного или нескольких транзисторов (чем больше транзисторов, тем больше усиление и поэтому большая мощность приходится на динамики).
Основы антенны
Вы, наверное, заметили, что почти каждое радио, будь то мобильный телефон, радио в автомобиле и многое другое, имеет антенну. Антенны бывают всех форм и размеров, в зависимости от частоты, которую антенна пытается получать. Радиопередатчики также используют чрезвычайно высокие башни-антенны для передачи их сигналов.
Идея антенны в радиопередатчике подразумевает под собой запуск радиоволны в космос. В приёмнике идея состоит в том, чтобы взять как можно больше данных передатчика и поставлять её тюнеру. Для спутников, которые находятся от нас в миллионах миль, NASA использует огромные спутниковые антенны до 200 футов (60 метров) в диаметре - только представьте себе подобную картинку маслом.
Размер оптимальной радиоантенны связан с частотой сигнала, который антенна пытается передавать или принимать. Причина этой взаимосвязи имеет отношение к скорости света, в результате чего на далёкие расстояния могут отправляться электроны. Скорость света составляет 186000 миль в секунду (300000 километров в секунду).
Антенны: реальные примеры
Давайте предположим, что вы пытаетесь построить радиовышку для радиостанции 680 AM. Она передаёт волну синуса с частотой 680000 герц. В одном цикле волны синуса передатчик будет перемещать электроны в антенну в одном направлении, переключиться и задержит их, снова переключиться и выставит их, а потом переключиться ещё раз и вернёт их обратно. Другими словами, электроны будут изменять направление четыре раза в течение одного цикла волны синуса. Если передатчик работает на 680000 герц, это означает, что каждый цикл завершается в (1/680000) 0.00000147 секунды. Одна четверть этого составляет 0.0000003675 секунды. Со скоростью света электроны могут пролететь 0.0684 мили (0.11 километра) через 0.0000003675 секунды. Это значит, что оптимальный размер антенны для передатчика на 680000 герц равен 361 футу (110 метрам). Таким образом, радиостанции AM нуждаются в очень высоких башнях. Для мобильного телефона, работающего на частоте 900000000 (900 МГц), с другой стороны, оптимальный размер антенны составляет около 8.3 сантиметра или 3 дюймов - именно поэтому мобильные телефоны могут иметь такие короткие антенны.
Вы могли бы задаться вопросом, почему когда радиопередатчик передаёт что-то, радиоволны хотят размножиться через пространство далеко от антенны со скоростью света. Почему радиоволны могут преодолевать миллионы миль? Оказывается, что в пространстве магнитное поле, создаваемое антенной, индуцирует электрическое поле в пространстве. Это электрическое поле, в свою очередь, вызывает ещё магнитное поле в пространстве, которое индуцирует другое магнитное поле, которое индуцирует другое магнитное поле, и так далее. Эти электрические и магнитные поля (электромагнитные поля) вызывают друг друга в пространстве со скоростью света, путешествуя таким образом далеко от антенны. Вот и всё на сегодня. Надеюсь, что статья была очень интересной, познавательной, полезной и вы узнали много нового о повседневной технологии.
Радио 1953 №8-9
Как известно, применение ЧМ позволяет ослабить влияние помех на радиоприём.
Атмосферные помехи практически не мешают приёму на УКВ. Помехи, создаваемые другими радиостанциями, также не опасны на диапазоне УКВ, если радиостанции правильно в нём размещены. «Вместимость» УКВ диапазона достаточно велика. Поэтому в его пределах может работать большое число УКВ радиостанций без взаимных помех.
Промышленные помехи сильно сказываются на приёме ДВ и СВ радиостанций и гораздо слабее на приёме УКВ радиостанций. Однако в крупных городах, где уровень этих помех бывает достаточно велик, задача организации качественного радиовещания на УКВ без помех оказывается всё же не столь простой. Источниками помех на УКВ являются различные промышленные установки и особенно автомобильные двигатели. Широкое развитие автотранспорта привело к тому, что в крупных городах влияние этих помех стало очень заметным и на УКВ диапазоне.
Собственные шумы приёмника практически сказываются лишь в приёмниках, обладающих очень высокой чувствительностью.
Как известно, в цепях приёмника всегда возникают небольшие «хаотические» напряжения, обусловленные неравномерным и нерегулярным движением электронов. Так, например, поток электронов, излучаемый катодом электронной лампы, не остаётся абсолютно равномерным, а испытывает незначительные нерегулярные изменения, влияние которых становится заметным при большом усилении. Такие же нерегулярные движения электронов существуют в любом проводнике, даже если он не подключён к источнику электроэнергии.
Хаотические движения электронов создают в проводниках хаотические напряжения, которые в результате многократного усиления чувствительным приёмником проявляются на его выходе как равномерный шум, напоминающий шипение примуса. «Шумящими» элементами приёмника обычно оказываются его входные цепи и первая лампа.
Отметим, что собственные шумы приёмника проявляются лишь в случае приёма очень слабых сигналов при большом усилении. Собственные шумы возникают в приёмнике независимо от того, на каком диапазоне проводится приём.
ПОМЕХИ И АМ
Импульсы помех от электрозажигания автомобильного двигателя следуют друг за другом соответственно вспышкам запальных свечей (рис. 1, а). Нарастание и затухание каждого из импульсов происходят в течение миллионных долей секунды. Воздействуя на приёмник, такие импульсы создают в его контурах переменные напряжения, имеющие затухающий характер; частота этих колебаний равна резонансной частоте контуров.
|
Рис. 1. а - импульсы помехи, излучаемые системой электрозажигания автомашины; б - импульсы помехи изменяются в приёмнике по форме и продолжительности; в - немодулированные колебания, возбуждаемые радиоволнами принимаемой радиостанции; г - от действия помех принимаемые колебания модулируются как по амплитуде, так и по частоте; д - колебания после ограничителя амплитуды. |
Рис. 2. а - токи «гладких» помех; б - немодулированные колебания, возбуждаемые радиоволнами принимаемой радиостанции; в - от действия помех принимаемые колебания модулируются как по амплитуде, так и по частоте; г - колебания после ограничителя амплитуды. |
При прохождении импульсов помех через колебательные контуры приёмника форма и продолжительность этих импульсов изменяются (рис. 1, б). Происходит это потому, что установление и затухание электрических колебаний происходят в контурах не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. Поэтому при возникновении импульса амплитуды напряжения в контурах приёмника нарастают постепенно, а при исчезновении импульса они тоже затухают не сразу (рис. 1, б).
Для упрощения дальнейших рассуждений представим, что принимаемый сигнал немодулирован (рис. 1, в). При этом действие помех на сигнал проявляется как увеличение и уменьшение амплитуды его колебаний в зависимости от того, с каким мгновенным значением напряжение сигнала складывается с напряжением возникшего импульса помехи. Следовательно, принимаемые колебания в этом случае оказываются модулированными по амплитуде; огибающая их «отображает» импульсы помех (рис. 1, г). При детектировании таких колебаний обычным (амплитудным) детектором выделяются низкочастотные напряжения помех. После соответствующего усиления эти напряжения воздействуют на громкоговоритель, который воспроизводит их как трески и щелчки.
Существо описанного процесса не изменяется и в случае действия собственных шумов приёмника. Помехи этого вида (рис. 2, а) называются «гладкими» в отличие от помех импульсных, только что рассмотренных. Воздействуя на принимаемые колебания (рис. 2, б), эти помехи также изменяют их амплитуду (рис. 2, в). После детектирования таких колебаний возникает напряжение звуковой частоты, которое изменяется в соответствии с ходом огибающей.
Отметим следующее важное обстоятельство. Как известно, напряжение низкой частоты, а следовательно, и громкость звука тем больше, чем больше глубина модуляции детектируемых колебаний. Поэтому, чем сильнее (глубже) помехи модулируют принимаемые колебания по сравнению с полезной глубиной модуляции, осуществлённой в передатчике, тем сильнее действие помех.
Ослабить помехи можно, сужая полосу пропускания приёмника. Чем острее резонансная кривая контуров приёмника, тем медленнее происходит нарастание и затухание колебаний в контурах под действием помехи и тем меньше энергия этих колебаний.
ПОМЕХИ И ЧМ
При ЧМ токи звуковой частоты, созданные микрофоном, воздействуют на частоту колебаний токов радиопередатчика. В приёмнике ЧМ из принятых колебаний должны быть выделены токи звуковой частоты, по характеру такие же, как и токи микрофона. Этот процесс также называется детектированием, но осуществляется он с помощью частотного детектора иначе, чем при АМ.
Как известно, при сложении колебаний с различными частотами суммарные колебания всегда имеют частоту, отличающуюся от частоты каждого из слагаемых колебаний. Действие же помех на принимаемый сигнал и есть сложение колебаний с различными частотами, так как частоты помехи и сигнала отличаются друг от друга.
Рис. 3. Схема ограничителя и его амплитудная характеристика
Импульсные помехи, как уже отмечалось, создают затухающие колебания с собственной частотой контуров приёмника. Частота же сигнала практически всегда отличается от частоты колебаний, вызванных помехой, так как она никогда не совпадает точно с собственной частотой контуров приёмника. Различие в частотах колебаний помех и сигнала существует также и при гладких помехах, потому что последние состоят из разных частот, лежащих в полосе пропускания приёмника.
Поэтому помехи изменяют не только амплитуду, но и частоту колебаний принимаемого сигнала (см. рис. 1, г и 2, в). Следовательно, они должны прослушиваться и при ЧМ, так как частотный детектор реагирует на изменение частоты колебаний и потому он должен выделить токи помех.
Итак, действие помех на принимаемый сигнал проявляется в двух формах, причём в случае АМ приходится считаться с одной формой, а в случае ЧМ - с другой В самом деле, обычный амплитудный детектор отвечает на изменения амплитуды принимаемых колебаний, но не отвечает на изменения их частоты. Частотный же детектор, наоборот, должен отвечать на изменения частоты колебаний и не должен реагировать на изменения их амплитуды. Если же детектор будет отвечать на обе формы действия помех, то легко заключить, что влияние помех усилится.
Для того чтобы частотный детектор не реагировал на изменения амплитуд принятых колебаний, последние надо ограничить так, чтобы уничтожить амплитудную модуляцию, создаваемую помехами. Это осуществляется специальным устройством - ограничителем амплитуды. Как видно из рис. 1, д и 2, г, после ограничения получаются колебания, модулированные только по частоте; амплитудная модуляция, вызванная действием помех, устраняется. Таким образом ограничитель уменьшает влияние помех.
В некоторых случаях с той же целью применяется ограничение амплитуды и при приёме АМ радиостанций. Но это ограничение не может быть значительным, так как при сильном ограничении амплитуды принимаемый сигнал искажается. В случае ЧМ, как бы ни было велико ограничение амплитуды, оно не вносит изменений в процесс качания частоты, а следовательно, не искажает сигнала.
Важное значение имеет и отношение напряжений помехи и сигнала. Чем больше амплитуда помехи, тем больше и пределы, в которых помеха может вызвать качание частоты.
Рис. 4. Диаграммы работы ограничителя: а - когда амплитуды напряжения на сеточном контуре малы, лампа работает в режиме усилителя; б - при увеличении напряжения верхушки его отрицательных амплитуд отсекаются; в, г - дальнейшее увеличение напряжения ведёт к ограничению напряжения ни анодном контуре
Иное положение при АМ. При том же соотношении уровней принимаемого сигнала и помех последние будут создавать глубину модуляции, достигающую 50%, и оказывать сильное действие, так как полезная модуляция не может превысить 100%.
ОГРАНИЧИТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ
Распространённой схемой ограничителя амплитуды является так называемый сеточный ограничитель (рис. 3). Он включается на выход канала промежуточной частоты приёмника (до ЧМ детектора). Отрицательное смещение на управляющую сетку его лампы подаётся с сопротивления R утечки сетки.
Промежуток сетка - катод лампы ограничителя является как бы диодом, осуществляющим детектирование принятых колебаний. При детектировании возникает сеточный ток, величина которого тем больше, чем больше амплитуда колебаний на сеточном контуре. Полярность выпрямленного напряжения такова, что сетка получает отрицательный потенциал относительно катода.
До тех пор пока напряжение на сеточном контуре ограничителя сравнительно невелико (порядка 1-2 В и менее), лампа работает, как обычный усилитель (рис 4, а), т. е. напряжение на анодном контуре пропорционально напряжению на его сеточном контуре. При увеличении амплитуды подводимого напряжения отрицательное смещение на управляющей сетке возрастает.
Если при этом смещение на сетке увеличится настолько, что рабочая точка на характеристике лампы передвинется к нижнему сгибу, происходит отсечка верхушек отрицательных полупериодов приложенного напряжения (рис. 4, б) и рост выходного напряжения замедляется.
Если же амплитуда напряжения на входе ограничителя достигнет значительной величины (3-4 В и более), то смещение на сетке лампы увеличивается настолько, что рабочая точка смещается влево от нижнего загиба характеристики лампы (рис. 4, в) и при дальнейшем росте входного напряжения амплитуда импульсов анодного тока практически перестаёт увеличиваться (рис. 4, г). Это приводит к тому, что напряжение промежуточной частоты на анодном контуре ограничителя также больше не растёт, т. е. происходит ограничение амплитуды колебаний.
Получающаяся в результате рассмотренного процесса амплитудная характеристика ограничителя изображена на рис. 3. До точки А на этой характеристике выходное напряжение ограничителя возрастает пропорционально входному, так как лампа работает на прямолинейном участке характеристики. На участке АБ кривой уже нет этой пропорциональности, так как рабочая точка приближается к нижнему сгибу характеристики. После точки Б приращение выходного напряжения практически прекращается, несмотря на значительное увеличение входного напряжения Точка Б кривой, соответствующая такому входному напряжению, после которого выходное напряжение практически не увеличивается, называется «порогом ограничения». Очевидно, что ограничитель действует только тогда, когда входное напряжение превышает «порог ограничения».
ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР
Можно ли принять ЧМ колебания на обычный УКВ приёмник? Оказывается, можно, если расстроить его настолько, чтобы несущая частота ЧМ колебаний оказалась в пределах наклонной части (а не на вершине) резонансной кривой его контуров (Напомним, что резонансная кривая выражает характер изменения величины напряжения, (или тока) в контуре в зависимости от частоты, подводимых колебаний.).
Процесс преобразования ЧМ колебаний в АМ колебания этим способом поясняется рис. 5. Если несущая частота принимаемых колебаний соответствует точке А, находящейся на середине наклонной части резонансной кривой, то при качании частоты амплитуды напряжения на контуре изменяются в пределах от А до Б и до В, Изменения амплитуды высокочастотного напряжения, которые графически отображает огибающая, происходят при этом в некоторых пределах по тому же закону, что и изменения частоты колебаний. Полученные таким способом модулированные по амплитуде колебания далее детектируются обычным амплитудным детектором. Очевидно, что эти колебания остаются модулированными и по частоте, но это не имеет значения, поскольку амплитудный детектор нечувствителен к изменениям частоты.
Указанный простейший способ преобразования АМ колебаний в ЧМ колебания не нашёл широкого применения на практике главным образом потому, что при нем преобразованные колебания оказываются искажёнными: вершины и впадины огибающей «уплощаются» (см. рис. 5). После детектирования форма токов низкой частоты также будет искажённой. Поэтому и громкоговоритель будет воспроизводить принимаемую передачу с искажениями.
Из рис. 5 нетрудно увидеть, что искажения возникают из-за наличия криволинейных участков резонансной кривой, поскольку на этих участках изменения частоты вызывают гораздо меньшие изменения амплитуды, чем на средней части склона резонансной кривой, которая имеет почти прямолинейный участок. Искажения можно уменьшить, если удлинить средний участок резонансной кривой путём ухудшения добротности контура. Но при этом уменьшится наклон резонансной кривой, что приведёт к уменьшению напряжения звуковой частоты на нагрузке детектора. В результате частотный детектор станет менее чувствительным к величине качания частоты.
Одна из широко применяемых на практике схем частотного детектора изображена на рис. 6. Она содержит резонансные контуры L1C1 и L2C2 настроенные на одну частоту, диоды Д1 и Д2, их нагрузочные сопротивления и другие детали.
Ток, выпрямленный диодом Д1 проходит через сопротивления, R1 и R2 и верхнюю половину катушки индуктивности, L2. На сопротивлении R1 возникает выпрямленное напряжение с положительным полюсом в точке А и отрицательным в точке В. Ток, выпрямленный диодом Д2, проходит через сопротивления R2 и R3 и нижнюю половину той же катушки индуктивности; при этом на сопротивлении R2 возникает выпрямленное напряжение с положительным полюсом в заземлённой точке Б и отрицательным в точке В.
Выходными точками схемы детектора являются точки А и Б, поэтому выходное напряжение представляет собой разность напряжений на сопротивлениях R1 и R2, поскольку напряжения на этих сопротивлениях направлены навстречу друг другу.
Если на оба диода действуют напряжения принятого сигнала с одинаковыми амплитудами» одинаковы будут и выпрямленные напряжения на сопротивлениях R1 и R2. Поэтому напряжение между точками А и Б в этом случае равно нулю.
Рис. 5. Преобразование ЧМ колебаний в колебания, модулированные по амплитуде с помощью расстроенного колебательного контура.
Если же на диод Д1 поступит высокочастотное напряжение с амплитудой, превышающей амплитуду напряжения на диоде Д2, то напряжение на сопротивлении R1 превысит напряжение на сопротивлении R2. В таком случае точка А будет иметь положительную полярность относительно точки Б. Если же на диод Д1 поступит напряжение с меньшей амплитудой, чем на диод Д2, то напряжение на R1 окажется меньше, чем на R2. В этом случае точка А будет иметь отрицательную полярность относительно заземлённой точки Б. Следовательно, выходное напряжение может иметь различную полярность в зависимости от соотношения напряжений сигнала на диодах.
Рис. 6. Одна из схем частотного детектора
Теперь нам нужно понять, как в описываемой схеме передаётся напряжение сигнала на диоды. Заметим, что контуры L1C1 и L2C2 связаны между собой двумя способами: индуктивно через взаимоиндукцию между катушками L1 и L2 и непосредственно через конденсатор С3, включённый между верхним концом катушки L1 и средней точкой катушки L2.
Чтобы разобраться в особенностях таких способов связи, надо вспомнить о фазовых соотношениях переменного тока и напряжения в колебательном контуре.
Напомним, что такое фаза напряжения или тока. В широком смысле слова фаза - это определённое состояние в данный момент какого-либо периодически повторяющегося процесса. В электротехнике и радиотехнике фазой называют определённое состояние тока или напряжения, характеризующееся величиной и полярностью колебательного процесса в данный момент времени относительно некоторого исходного значения.
На рис. 7 приведён график синусоидального переменного тока и отмечены его нулевые и амплитудные фазы. Как видно из этого рисунка, соседние нулевая и амплитудная фазы отстоят друг от друга на четверть периода. Фазу часто выражают в угловых величинах (градусах, минутах), пропорциональных долям периода синусоидального переменного тока, считая, что один период изменения тока соответствует углу в 360°, подобно тому как один полный оборот при вращательном движении соответствует углу в 360°.
Рис. 7. Фазы переменного тока
При сравнении переменных токов одинаковой частоты важную роль играет понятие о сдвиге фаз. Если два переменных тока одновременно достигают однозначных амплитудных и нулевых значений, говорят, что эти токи совпадают по фазе, что сдвиг фаз между этими токами равен нулю. Если же одни ток достигает положительных амплитудных значений в те моменты, когда другой ток достигает отрицательных амплитудных значений, говорят, что эти токи находятся в противофазе или сдвиг фаз между ними составляет 180°. Возможны и многие другие случаи сдвига фаз, например, на 45°, 90° и т. д. Угол сдвига фаз принято обозначать греческой буквой φ (фи).
В электрических цепях, содержащих индуктивности или ёмкости, всегда существует сдвиг фаз между напряжением, действующим на цепь, и током, протекающим в цепи. Если цепь содержит только индуктивность, то вследствие действия явления самоиндукции ток отстаёт по фазе на четверть периода (φ = 90°, см. рис. 8, а) от приложенного напряжения; в цепи, содержащей только ёмкость, ток опережает приложенное напряжение на φ = 90° (рис. 8, б); если же цепь содержит только активное сопротивление, ток совпадает по фазе с напряжением (рис. 8, б).
В более сложной цепи - в колебательном контуре - существуют сдвиги фаз между напряжением и током как в каждой ветви контура, так и в цепи, питающей контур, причём сдвиг фаз в последней зависит от частоты колебаний, подводимых к контуру.
Как известно, на резонансной частоте индуктивное сопротивление контура компенсируется его ёмкостным сопротивлением и поэтому контур в целом представляет собой для этой частоты активное сопротивление.
Рис. 8. Напряжения и токи в цепях с индуктивностью (а), с ёмкостью (б) и с активным сопротивлением (в).
На частотах ниже резонансной индуктивное сопротивление уменьшается, а ёмкостное увеличивается. Общее сопротивление цепи, образуемой параллельно соединёнными сопротивлениями, как известно, имеет характер меньшего из них. В данном случае меньшим является индуктивное сопротивление, следовательно, контур, ведёт себя как индуктивность, и в питающей его цепи ток отстаёт по фазе от напряжения.
Нетрудно сделать вывод, что на частотах выше резонансной контур действует как ёмкость и в питающей цепи ток опережает напряжение. Зависимость сдвига фаз от частоты может быть выражена так называемой фазовой характеристикой контура (рис. 9).
Рис. 9. Фазовая характеристика колебательного контура
В двух индуктивно связанных и настроенных на одну частоту контурах существуют более сложные зависимости сдвига фаз между напряжениями и токами в отдельных элементах, а также и между напряжением U1, приложенным к первому контуру, и напряжением U2, возникающим вследствие взаимоиндукции на втором контуре.
Последний случай и представляет для нас практический интерес, так как в частотном детекторе (рис. 6) имеются два контура, настроенных на одну частоту.
Если частота колебаний, подведённых к первому контуру, равна резонансной частоте контуров, то напряжение во втором контуре, возникающее вследствие взаимоиндукции, отстаёт по фазе от напряжения в первом контуре на 90°. Это объясняется тем, что взаимоиндукция действует подобно индуктивности.
Если частота подведённых колебаний, будет ниже резонансной частоты, то напряжение во втором контуре будет больше чем на 90° отставать по Фазе от
напряжения в первом контуре, так как каждый из них действует как индуктивность.
Если же частота подводимых колебаний станет выше резонансной частоты контуров, то напряжение во втором контуре будет меньше чем на 90° отставать по фазе от напряжения в первом контуре. В этом случае каждый контур действует как ёмкость, а это уменьшает общий сдвиг фаз.
Зависимость от частоты сдвига фаз между напряжениями второго (U2) и,первого (U1) контуров показана графически на рис. 10. При определённой величине связи между контурами эта зависимость практически имеет линейный характер при изменении частоты колебаний в пределах полосы пропускания контуров.
Как мы уже говорили, в схеме частотного детектора (рис. 6) энергия из одного контура в другой передаётся не только с помощью индуктивной связи, но и через конденсатор С3. Напряжение, поступающее в контур последним путём, очевидно, подаётся на оба диода, так как схема симметрична по отношению к средней точке катушки L2, а катоды диодов для токов высокой частоты заземлены (катод диода заземлён по высокой частоте через конденсаторы C4 и C5, шунтирующие сопротивления R1 и R2).
На рис. 6 видно, что на каждый диод частотного детектора поступает лишь половина напряжения, наведённого индуктивным путём на катушке L2 второго контура; поскольку аноды диодов подключены к противоположным концам этой катушки, напряжение на аноде одного диода противоположно по фазе напряжению на аноде другого диода.
Рис. 10. Зависимость сдвига фаз между напряжениями в связанных контурах от частоты.
На рис. 11, а показаны составляющие напряжений на каждом диоде для случая, когда частоты приходящих колебаний равны резонансной частоте контуров. Суммарное высокочастотное напряжение на диоде Д1 (кривая 1) определяется сложением напряжения, поступающего с первого контура через непосредственную связь (кривая 3), с отстающим по фазе на 90° напряжением на половине катушки второго контура (кривая 4). Суммарное напряжение на диоде Д2 (кривая 2) определяется сложением напряжения, поступающего через непосредственную связь с первого контура, с напряжением на другой половине катушки второго контура (кривая 5). Из рис. 11, а, видно, что в этом случае амплитуды суммарных напряжений на диодах равны.
Рис. 11. Высокочастотные напряжения на диодах изменяются при качании частоты: а - когда частота поступающих с ограничителя колебаний равна резонансной частоте контуров, суммарные напряжения на диодах одинаковы; б - если частота поступающих колебаний ниже резонансной частоты контуров, амплитуда суммарного напряжения на диоде Д2 превышает амплитуду суммарного напряжения на диоде Д1; в - когда частота поступающих колебаний выше резонансной частоты контуров, амплитуда суммарного напряжения на диоде Д1 превышает амплитуду суммарного напряжения на диоде Д2. Кривые 1 получены путём геометрического сложения кривых 3 и 4, а кривые 2 - путём геометрического сложения кривых 3 и 5.
На рис. 11, б, показаны напряжения для случая, когда частота приходящих колебаний ниже резонансной частоты контуров. Суммарное напряжение на диоде Д1 определяется сложением напряжения, поступающего непосредственно с первого контура (кривая 3), с отстающим более чем на 90° напряжением, наведённым в контуре индуктивным путём (кривая 4); суммарное же напряжение на диоде Д2 (кривая 2) определяется сложением напряжения, поступающего непосредственно с первого контура, с напряжением, наведённым индуктивным путём, но противоположным по фазе (кривая 5). Теперь на диоде Д2 напряжение больше, чем на Д1.
На рис 11, в, показаны напряжения в том случае, когда частота подводимых колебаний выше резонансной частоты контуров. При этом индуктированное напряжение во втором контуре отстаёт от напряжения, поступающего через конденсатор С3, менее чем на 90°. Амплитуды суммарных напряжений на диодах в этом случае также не равны, но напряжение на диоде Д1 больше, чем на диоде Д2.
Итак, при изменении частоты колебаний в контурах изменяется и соотношение напряжений на диодах, причём увеличение напряжения на одном диоде приводит к уменьшению напряжения на другом и наоборот. Как отмечалось выше, это приводит к изменению выходного напряжения между точками А и В частотного детектора (рис. 6).
Зависимость выходного напряжения частотного детектора от частоты подведённых к нему колебаний выражается характеристикой, показанной на рис. 12. Из неё видно, что когда частота принимаемых ЧМ колебаний изменяется по закону, «отображающему» модулирующее напряжение, по такому же закону изменяется и напряжение на выходе частотного детектора.
Рис. 12. Характеристика частотного детектора.
Характеристика описанного детектора ЧМ колебаний имеет большой линейный участок, что позволяет детектировать ЧМ колебания без искажений. Большой угол наклона характеристики свидетельствует о высокой чувствительности частотного детектора, т. е. на его нагрузке можно получить достаточно большие напряжения звуковой частоты.
ДРУГИЕ ОСОБЕННОСТИ ЧМ ПРИЁМНИКА
Входная часть ЧМ приёмника не отличается от входной части супергетеродинного УКВ приёмника, предназначенного для приёма АМ колебаний. Эта часть, а также и гетеродин приёмника имеют много общего с входной частью телевизионного приёмника, выполненного по супергетеродинной схеме. Существенной особенностью ЧМ приёмника является широкая полоса пропускания по промежуточной частоте.
При качании частоты принимаемого сигнала в пределах +-75 кГц усилитель промежуточной частоты должен иметь полосу пропускания не менее 150 кГц. Практически приходится делать полосу шириной около 200 кГц, так как нужно учитывать возможность ухода частоты гетеродина и неточность настройки приёмника.
С первого взгляда может показаться, что широкая полоса пропускания по промежуточной частоте является недостатком приёмника, поскольку для ослабления действия помех в АМ приёмнике обычно стремятся сузить полосу пропускания. Однако это справедливо только при приёме АМ колебаний. Ослабление влияния помех при ЧМ, как мы видели, достигается не за счёт сужения полосы, а другим путём. Поэтому широкополосность усилителя промежуточной частоты ЧМ приёмника с этой точки зрения не является его недостатком.
Применение ограничителя амплитуды в ЧМ приёмнике приводит к тому, что уровень напряжения на входе частотного детектора не зависит от напряжения на входе приёмника. Поэтому ЧМ приёмник, если он даже не имеет автоматической регулировки усиления (АРУ), будет воспроизводить передачу одинаково громко, независимо от того, находится ли он вблизи передатчика или удалён от него.
Уровень громкости в ЧМ приёмнике определяется лишь пределами качания частоты при модуляции. Однако это справедливо только при условии, что уровень сигнала превышает порог ограничения.
А. Князев, г. Москва.
Шесть часов утра по московскому времени. В пространство несутся мерные удары кремлевских курантов, и затем раздаются торжественные звуки гимна. Едва отзвучали его последние ноты, как раздается спокойный, четкий голос диктора: «Говорит Москва».
Так начинается день центрального радиовещания. Знаете ли Вы, как происходят эти передачи?
Каким образом каждый звук, возникший в радиостудии, на театральной сцене или в другом месте, откуда ведут радиопередачу, мгновенно доносится к вам за сотни и тысячи километров? Для того чтобы мы могли услышать радиопрограмму, нужно ее, во-первых, передать, а затем принять.
Рис. 1. Звуковые волны вокруг камертона.
Рис. 2. Работа микрофона. азвука нет, в цепи микрофона течет.постоянный ток; б под действием звука мембрана вогнута, сопротивление уменьшилось, ток возрос: в под действием звука мембрана выгнута, сопротивлению увеличилось, ток уменьшился.
Задача передающей радиостанции состоит в том, чтобы превратить речь, пение музыку в электрический ток, а затем преобразовать последний в электромагнитные волны и излучать их в окружающее пространство.
Как же практически решается эта задача? Чтобы выяснить это, вспомним, что такое звук. Звук это колебания какой-либо среды: воздуха, дерева, металла, воды и т. п. Звуковые колебания в неограниченном пространстве распространяются от источника звука по радиусам во всех направлениях. Средняя скорость распространения звука в воздухе 330 м/сек.
На рис. 1 условно показаны (на самом деле невидимые глазу) периодические «сгущения» и «разрежения» в звукопроводящей среде, которые и представляют собой звуковые колебания или звуковую волну.
Наше ухо способно воспринимать как звук только колебания определенных частот (от 16 до 20 000 колебаний в секунду). Кроме того, амплитуда этих колебаний должна быть достаточно большой, т. е. звук должен обладать определенной силой, иначе мы не сможем его услышать.
Микрофон
И электромагнитные волны и звук это колебания, но разной природы. Нет ли способа превратить звуковые колебания в электромагнитные? Есть. Для этого сначала нужно звук превратить в колебания электрического.тока.
Прибор, преобразующий звуковые колебания в электрические, называется микрофоном. Опишем принцип действия простейшего микрофона.
На рис. 2 показана металлическая камера, в которую насыпан угольный порошок. С одной стороны эту камеру закрывает гибкая пластинка, укрепленная на изоляторах; со всех остальных сторон камера закрыта наглухо. Камера и пластинка присоединены к источнику постоянного напряжения, создающего в цепи постоянный ток. Но представьте себе, что мы начали говорить, приблизившись к пластинке. Если пластинка достаточно тонка, то под действием звуковых волн, т. е. сгущений и разрежений воздуха, она начинает колебаться. При колебаниях пластинки будет изменяться сила ее давления на угольный порошок, отчего будет меняться сопротивление, оказываемое этим порошком электрическому току. Величина тока начнет меняться. В результате в цепи будет течь пульсирующий ток. Применив довольно простые электротехнические устройства, легко разделить пульсирующий ток на переменный и постоянный.
Мы сумели превратить звуковые колебания в переменный электрический ток. Но дело в том, что электрические колебания, созданные микрофоном, очень слабы; их следует усилить с помощью радиоламп, применяемых в специальных аппаратах усилителях низкой частоты, а после этого можно передать их по проводам на радиостанцию.
Чтобы понять, как работает радиостанция, придется вернуться к колебательному контуру.
Снова о колебательном контуре. Вспомним наши рассуждения. Излучая радиоволны, антенна непрерывно посылает в пространство электромагнитную энергию высокой частоты, порцию за порцией. Эту энергию антенна поручает из колебательного контура.
Откуда же беспрерывно черпает энергию сам колебательный контур? Очевидно, нужно осуществить устройство, передающее контуру все новые и новые количества энергии взамен тех, которые он с пользой передает антенне, и тех, которые бесполезно затрачивает в самом себе. Нельзя предполагать, что колебательный контур работает как какой-то «вечный» маятник.
Вот о работе устройств, обеспечивающих создание радиоволн, мы теперь и должны сказать.
Радиотехника знает много всяких способов «подбрасывания» энергии в колебательный контур. Все они, за исключением одного, были отвергнуты практикой. Дело в том, что подбрасывание новых порций электрической энергии в контур нужно производить в такт с колебаниями. Не вовремя подброшенная порция электрической энергии не только не поддержит колебания, но будет заглушать их.
Наиболее пригодный способ, посредством которого производится передача в контур новых и новых количеств электрической энергии, применяется уже около 40 лет. Мы имеем в виду использование электронной лампы, которая является душой современной радиотехники.
Для ознакомления с тем, как электронная лампа вместе с колебательным контуром создает токи высокой частоты, в качестве главного «действующего лица» мы возьмем трехэлектродную лампу. Для простоты объяснения принципа работы радиопередатчика мы воспользуемся этой старой заслуженной ветеранкой, а не современными более сложными генераторными лампами.
Поучительный эпизод. Известен интересный эпизод из истории развития паровой машины. Один мальчик был приставлен к примитивной старинной паровой машине. Обязанности мальчика были несложные, но весьма однообразные. В строго определенные моменты времени он должен был открывать и закрывать кран. Важно было не спутаться и н-е открыть кран раньше времени, чтобы не остановить машину. Мальчику; наделенному природной сообразительностью, надоело утомительное занятие. Желая выкроить хотя бы немного свободного времени для своих игр, он пустился на хитрость. Веревками соединил он кран с качающимся коромыслом машины, предоставив самой машине заботиться об открывании и закрывании крана в нужные моменты. Машина была переведена с ручного обслуживания на автоматическое. Краны открывались и закрывались без прикосновения рук.
Этот эпизод напоминает то, что двумя столетиями позже произошло с изобретением лампового генератора токов высокой частоты. В 1913 г. была разработана первая схема лампового генератора, положившая начало ряду других схем, обеспечивающих удобные способы получения токов высокой частоты.
В это время знали, что радиолампа может усиливать слабые переменные электрические токи практически любой частоты. Знали и то, что если усиления одной лампы недостаточно, можно последовательными ступенями включить несколько электронных ламп одну вслед за другой. Несомненно, и до этого времени считали возможным усиленные таким образом мощные колебания высокой частоты подать прямо в антенну. В дверь стучалась идея создания ламповой передающей радиостанции. Не хватало одного: умения решить задачу откуда взять первоначальный переменный ток, который следует подвести к сетке первой усилительной лампы.
И ученым пришла идея, с внешней стороны имевшая много общего с детской хитростью мальчика, обслуживавшего паровую машину. Они решили перевести электронную лампу на самообслуживание. Пусть она не ждет, когда ей соберутся подать к сетке переменное напряжение, а сама заботится об этом.
Рис. 3. Схема генератора с трансформаторной связью.
Иными словами, лампу заставили заниматься не только усилением уже ранее где-то и чем-то созданных переменных токов, но и самой возбуждать, генерировать их..
Таким образом, был создан первый ламповый генератор незатухающих колебаний. Первый ламповый генератор. Схема этого генератора исключитель но проста (рис. 3). В анодной цепи электронной лампы (триода) Л включен колебательный контур LC, а в цепи сетки лампы катушка L c , близко расположенная в контурной катушке L. Вот и весь генератор.
Чтобы понять, как работает ламповый генератор, сделаем небольшое допущение. Оно нужно только на короткое время, и мы от него вскоре откажемся. Представим дебе, что в колебательном контуре LC уже поддерживаются незатухающие колебания. Ток в катушке L непрерывно меняет свое направление, и с такой же частотой заряжается и разряжается конденсатор С. Следуя за изменениями тока в контуре, меняются величина и направление магнитного поля вокруг катушки L То возникая, то исчезая, оно воздействует на витки катушки L с (пересекает их) и,как это получается в любом трансформаторе, по индукции наводит в них напряжение.
Но к катушке L c присоединена сетка лампы; следовательно, с такой же частотой, с какой колеблется ток в контуре, будет меняться и напряжение на сетке. Сетка действует автоматически, она не ошибается: «плюс» на сетке увеличивает анодный ток, протекающий через лампу, а «минус» уменьшает его.
Качели можно раскачивать, подталкивая их в такт. Эту обязанность в лампе с большим прилежанием выполняет сетка, получающая то положительные, то отрицательные заряды. Она не дает покоя анодному току, заставляя его совершать непрерывные колебания.
Так и, не удается анодному току течь спокойно. Все время, пока нить (катод) лампы накалена, а на аноде лампы имеется положи-, тельное напряжение, ламповый генератор создает незатухающие колебания. Лампа за счет энергии анодной батареи Б покрывает все потери в контуре. Получается своего рода «идеальный» колебательный контур. Решена задача, получения незатухающих колебаний.
Ламповый генератор может быть уподоблен заведенным пружинным часам или стенным часам с поднятыми гирями. Упругость пружины или вес гирь полностью компенсирует все тормозящие силы трения и заставляет часовой механизм работать безостановочно.
Теперь мы уже можем отбросить наше допущение. Пусть в анодном контуре нет затухающих колебаний: Но первый же толчок тока, вызванный включением генератора, импульсом создаст магнитное поле вокруг контурной катушки. Этот импульс будет передан сетке, и та незамедлительно сделает свое дело. Качели придут в движение. Раскачиваясь все более, они достигнут максимальных размахов, при которых раскачивающих усилий как раз хватит на преодоление всех сил, стремящихся остановить колебания.
Удалось точно построить генератор, который работает сам, без ручного или механического управления. Он сам себя принуждает к действию, самовозбуждается. Поэтому такой генератор называется самовозбуждающимся.
Обратная связь. Разнесите контурную и сеточную катушки на большое расстояние, чтобы магнитное поле контурной катушки не «зацепляло» за витки сеточной катушки, и все кончится. Колебания создаются только потоку что анодная цепь связана с сеточной и передает‘ей возбуждающие импульсы. Такая связь называется обратной связью: вместо того, чтобы колебания из анодной цепи поступали куда-либо дальше, «на выход», они (не полностью, а частично) передаются обратно, на сетку своей Же собственной лампы. Сеточная катушка, посредством которой сетка связывается с цепью анода, называется катушкой обратной связи. Чем больше витков в ней и чем ближе она расположена к контурной катушке, тем большее напряжение индуктируется в ней, тем сильнее связь.
Итак, не электронная лампа создает колебания они создаются в колебательном контуре. Но никогда бы контур не создал незатухающих колебаний, если бы лампа не подбрасывала в контур все новые и новые количества электрической энергии для компенсации всех потерь полезных и вредных. Но и лампа не могла бы ничего передать контуру, если бы не получала энергию от источников питания батарей или электрогенераторов, подающих напряжение на анод.
Темп колебаний или, лучше сказать, частоту навязывает колебательный контур. Колебания медленные, и электронная лампа будет в таком же медленном темпе передавать контуру очередные порции электрической энергии. Но ей никакого труда не составит производить это со скоростью нескольких миллионов или десятков и сотен миллионов раз в секунду. Попробуйте-ка вручную управлять электрической энергией с такой скоростью!
Трехточка
Мы уже указывали, что сетке лампы совершенно безразлично, откуда ей подается «раскачка». В схеме на рис. 3 обратная связь анодного контура с сеткой трансформаторная. Вскоре было доказано, что иметь отдельную катушку обратной связи совершенно не обязательно. Для этого применили схему, у которой сетка (рис. 4) непосредственно присоединена к контурной катушке L. На сетку лампы Л подается напряжение, возникающее на части АБ витков контурной катушки. Чем больше витков между точками А и Б, тем большее напряжение подается на сетку, тем сильнее обратная связь. Наоборот, передвигая соединительный проводник сетки к точке Б, мы уменьшали бы обратную связь. Такая связь называется автотрансформаторной. В принципе она ничем не отличается от трансформаторной. Оба способа представляют разновидности индуктивной связи: напряжение на сетке создается благодаря электромагнитной индукции.
Непременным условием действия схемы является такое соединение трех проводников от лампы Л к контуру LC, при котором провод от катода (нити) присоединяется между проводами от анода и сетки. Только тогда сеточные и анодные импульсы будут действовать в такт. Если анодный ток, например, должен увеличиваться, то для этого должно возрастать положительное напряжение на сетке.
Подачу порций энергии от лампы в контур строго в такт радиоспециалисты называют подачей в фазе. Схема с трансформаторной связью может не возбудиться, если импульсы на сетке не в фазе с импульсами анодного тока. В этой схеме правильная фазировка достигается очень просто: если генератор не возбуждается, достаточно переключить концы сеточной катушки. В схеме с автотрансформаторной связью нужно расположить проводники только так, как показано на рис. 4.
Весьма простая по своему устройству, состоящая всего лишь из колебательного контура, в трех точках соединенного с лампой, эта схема пользовалась в свое время особым расположением радиолюбителей. Почти все радиопередатчики первых коротковолновиков имели генератор «трехточку».
Задающий генератор
Ламповому самовозбуждающемуся генератору не хватает еще антенны, чтобы стать радиопередатчиком. Различие между мощными и маломощными радиостанциями заключается главным образом в степени усиления первоначально полученных в ламповом генераторе высокочастотных колебаний.
Рис. 4. Схема генератора с автотрансформаторной связью.
Если требуется мощность больше той, которую в состоянии отдать непосредственно самовозбуждающийся генератор, то применяют ступенчатое усиление все более мощными лампами. Иногда в одном усилительном мощном каскаде для увеличения мощности одновременно включают «в общую упряжку» несколько ламп две, три и больше. Нередко можно встретить передатчик с тремя-четырьмя и даже семью-восемью каскадами. В таких условиях самовозбуждающийся ламповый генератор, первоисточник электрических колебаний, получает название задающего генератора: он «задает тон» всем остальным усилительным каскадам, «раскачивает» их.
Задающий генератор «сердце» передатчика. Остановится «сердце»и все остановится. Первый усилительный каскад ничего не получит на сетку лампы от задающего каскада и поэтому ничего не передаст второму каскаду, второму нечего будет передавать третьему и т. д. Тщетно антенна будет ожидать получения токов высокой частоты от мощного оконечного каскада.
И «сердце» передатчика тщательно оберегают. Ему вредна перегрузка. На него действуют тепло, выделяемое током в различных деталях установки. Всякое изменение температуры приводит к изменению размеров металлических конструкций, в частности к изменению размеров деталей конденсатора и катушки контура. Меняется индуктивность меняется емкость, а от этого меняется генерируемая частота, «гуляет» волна радиостанции. В поисках сигналов станции приходится все время перестраивать приемник.
Чтобы избежать неприятностей, от задающего генератора не требуют большой мощности лишь бы он генерировал колебания строго определенной частоты. Как нежное растение помещают в оранжерею, так и задающий генератор часто помещают в камеру со строго постоянной температурой. Чаще же применяют особые стабилизаторы частоты, которые не позволяют генерируемой частоте отклоняться от заранее установленного значения, от номинала частоты.
Связующим звеном между ламповым генратором и антенной является питающая линия (фидер). Она играет роль плюса в несложном арифметическом выражении:
радиопередатчик = ламповый генератор + антенна .
Питающая линия состоит из проводов или кабеля, соединяющих антенну с ламповым генератором. Таким образом, мы познакомились с общим принципом действия радиопередатчика.
Включаем радиопередатчик. Через радиопередатчики может быть осуществлен любой вид работы: передача радиограмм с помощью телеграфной азбуки (радиотелеграфная передача), передача речи и музыки (радиотелефонная передача), буквопечатание и передача изображений.
Самый простой вид работы прерывание колебаний; так поступают радисты, выстукивая ключом знаки телеграфной азбуки: при нажатии -ключа замыкаются его контакты и серия высокочастотных колебаний поступает в антенну, при размыкании контактов подача колебаний в антенну прерывается. Короткое время включения соответствует точке, длинное тире. Этот процесс называется манипуляцией (рис. 5).
Но таким способом можно передавать лишь условные знаки телеграфной азбуки. А если нужно передать речь или музыку, то прежде всего следует обратиться к помощи микрофона.
О первом этапе превращения звука в электрический ток мы уже знаем. Этот ток мы усилили и направили по проводам на радиостанцию. К передатчику, таким образом, звуки пришли в виде электрических колебаний низкой частоты. Что же теперь с ними делать?
Модуляция. Используемые для вещания на больших расстояниях радиоволны имеют длину от 15 до 2000 м, а это значит, что частота, с которой колеблется вызывающий их электрический ток, равна 20 000 000 (20 Мгц) 150 000 (150 кгц) колебаний в секунду. Самая же высокая звуковая (низкая) частота, которую способно воспринимать наше ухо, имеет примерно 20 000 колебаний в секунду.
Таким образом, получается, что колебания, которые мы можем услышать, имеют весьма низкую частоту и поэтому неспособны излучаться в пространство.
Рис. 5, Ток высокой частоты в антенне передатчика при телеграфной работе.
Рис. 6. Графическое изображение результата модуляции.
Колебания же, излучающиеся на огромные расстояния в виде электромагнитных волн, имеют очень высокую частоту. Такие колебания мы не можем слышать.
Остается, видимо, как-то приспособить высокочастотные колебания для «транспортировки» колебаний, звуковой частоты. Такой способ был найден. Колебания звуковой частоты заставляют воздействовать на колебания высокой частоты. Процесс воздействия низкочастотных колебаний на высокочастотные называется модуляцией.
Электрические колебания звуковой частоты трудно передать далеко, а с помощью высокой частоты они свободно перебрасываются вокруг всего земного шара.
Термин «модуляция» издавна применяется в музыке для обозначения перехода из одной тональности в другую смены ладов.
В электротехнике модуляция это изменение какой-нибудь из характеристик электрического тока его величины, частоты, фазы в соответствии с колебаниями какого-либо другого тока.
Модуляция это не просто смешение токов, а такое воздействие низкочастотного тока на высокочастотный, когда низкочастотный ток как бы отпечатывает свою форму на высокочастотном.
Ток высокой частоты, на который воздействует телефонный разговор, называется модулируемым током, модулируемым колебанием. Говорят также:гнесущее колебание. Это удачное название. Оно хорошо показывает сущность процесса. Высокочастотное колебание после модуляции несет на себе (или в себе) отпечаток тока низкой частоты.
Процесс модуляции осуществляется с помощью специального устройства, называемого модулятором. Модулятор осуществляет воздействие токов низких частот на высокочастотные колебания. Делается это в радиопередатчиках посредством специальных модуляторных ламп.
Высокочастотные колебания до модуляции ничем не отличаются одно от другого. Но вследствие действия электрических колебаний, поступающих с микрофона, амплитуда их меняется. Она становится то больше, то меньше. Эти изменения в точности соответствуют колебаниям микрофонного тока, а следовательно, и звуковым колебаниям. Так, на электрические колебания высокой частоты накладывается «отпечаток» (узор) передаваемых звуков, и в результате получаются модулированные колебания, которые излучаются радиостанцией (рис. 6).
Назначение радиопередающих станций очень разнообразно. Некоторые из них ведут передачи для всей страны и располагаются в больших помещениях. Любительская радиостанция часто свободно размещается на столе в квартире коротковолновика. Но как бы ни различались они по своему виду и размерам, принципиальной разницы в их работе нет. Радиотехнические процессы в них почти одинаковы и различаются они в основном только мощностью колебаний и длиной излучаемых радиоволн.
Каждая радиостанция это фабрика радиоволн. Она потребляет электрическую энергию от батарей или от генератора, или от электрической сети и преобразует ее в высокочастотные электрические колебания, которые после усиления и модуляции попадают в передающую антенну. Отсюда они уже в виде радиоволн начинают свое путешествие к радиоприемникам.
В любом радиовещательном приемнике, независимо от его сложности, совершенно обязательно есть три элемента, обеспечивающие ему работоспособность. Эти элементы колебательный контур, детектор и телефоны или, если приемник с усилителем 34, динамическая головка прямого излучения. Твой первый приемник, собранный и испытанный в ходе предыдущей беседы, состоял только из этих трех элементов. Колебательный контур, в который входили антенна с заземлением, обеспечивали приемнику настройку на волну радиостанции, детектор преобразовывал модулированные колебания радиочастоты в колебания звуковой частоты, которые телефоны преобразовывали в звук. Без них или без любого из них радиоприем невозможен. В чем сущность действия этих обязательных элементов радиоприемного устройства?
Колебательный контур
Устройство простейшего колебательного контура и его схема изображены на рис. 38. Он, как видишь, состоит из катушки L и конденсатора С, образующих замкнутую электрическую цепь. При не1 которых условиях в контуре могут возникать и существовать электрические колебания. Поэтому его и называют колебательным контуром.
Приходилось ли тебе наблюдать такое явление: в момент выключения питания электроосветительной лампы между размыкающимися контактами выключателя появляется искра. Если случайно соединить выводы полюсов батареи электрического карманного фонарика (чего нужно избегать), в момент их разъединения между ними также проскакивает маленькая искра. А на заводах, в цехах фабрик, где рубильниками разрывают электрические цепи, по которым текут токи большой силы, искры могут быть столь значительными, что приходится принимать меры, чтобы они не причинили вреда человеку, включающему ток. Почему возникают эти искры?
Из первой беседы ты уже знаешь, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое можно изобразить в виде замкнутых магнитных силовых линий, пронизывающих окружающее его пространство. Обнаружить это поле, если оно постоянное, можно с помощью магнитной стрелки компаса. Если отключить проводник от источника тока, то его исчезающее магнитное поле, рассеиваясь в пространстве, будет индуцировать токи в ближайших от него других проводниках. Ток индуцируется и в том проводнике, который создал это магнитное поле. А так как он находится в самой гуще своих же магнитных силовых линий, в нем будет индуцироваться более сильный ток, чем в любом другом проводнике. Направление этого тока будет таким же, каким оно было в момент разрыва проводника. Иначе говоря, исчезающее магнитное поле будет поддерживать создающий его ток до тех пор, пока оно само не исчезнет, т.е. полностью не израсходуется содержащаяся в нем энергия. Следовательно, ток в проводнике течет и после того, как выключен источник тока, но, разумеется, недолго ничтожно малую долю секунды.
Но ведь в разомкнутой цепи движение электронов невозможно, возразишь ты. Да, это так. Но после размыкания цепи электрический ток может некоторое время течь через воздушный промежуток между разъединенными концами проводника, между контактами выключателя или рубильника. Вот этот ток через воздух и образует электрическую искру.
Это явление называют самоиндукцией, а электрическую силу (не путай с явлением индукции, знакомым тебе по первой беседе), которая под действием исчезающего магнитного поля поддерживает в нем ток, электродвижущей силой самоиндукции или, сокращенно, ЭДС самоиндукции. Чем больше ЭДС самоиндукции, тем значительнее может быть искра в месте разрыва электрической цепи.
Явление самоиндукции наблюдается не только при выключении, но и при включении тока. В пространстве, окружающем проводник, магнитное поле возникает сразу при включении тока. Вначале оно слабое, но затем очень быстро усиливается. Усиливающееся магнитное поле тока также возбуждает ток самоиндукции, но этот ток направлен навстречу основному току. Ток самоиндукции мешает мгновенному увеличению основного тока и росту магнитного поля. Однако через короткий промежуток времени основной ток в проводнике преодолевает встречный ток самоиндукции и достигает наибольшего значения, магнитное поле становится постоянным и действие самоиндукции прекращается.
Явление самоиндукции можно сравнивать с явлением инерции. Санки, например, трудно сдвинуть с места. Но когда они наберут скорость, запасутся кинетической энергией энергией движения, их невозможно остановить мгновенно. При торможении санки продолжают скользить до тех пор, пока запасенная ими энергия движения не израсходуется на преодоление трения о снег.
Все ли проводники обладают одинаковой самоиндукцией? Нет! Чем длиннее проводник, тем значительнее самоиндукция. В проводнике, свернутом в катушку, явление самоиндукции сказывается сильнее, чем в прямолинейном проводнике, так как магнитное поле каждого витка катушки наводит ток не только в этом витке, но и в соседних витках этой катушки. Чем больше длина провода в катушке, тем дольше будет существовать в нем ток самоиндукции после выключения основного тока. И наоборот, потребуется больше времени после включения основного тока, чтобы ток в цепи увеличился до определенного значения и установилось постоянное по силе магнитного поле.
Запомни: свойство проводников влиять на ток в цепи при изменении его значения называют индуктивностью, а катушки, в которых наиболее сильно проявляется это свойство, катушками самоиндукции или индуктивности. Чем больше число витков и размеры катушки, тем больше ее индуктивность, тем значительнее влияет она на ток в электрической цепи.
Итак, катушка индуктивности препятствует как нарастанию, так и убыванию тока в электрической цепи. Если она находится в цепи постоянного тока, влияние ее сказывается только при включении и выключении тока. В цепи же переменного тока, где беспрерывно изменяются ток и его магнитное поле, ЭДС самоиндукции катушки действует все время, пока течет ток. Это электрическое явление и используется в первом элементе колебательного контура приемника катушке индуктивности.
Вторым элементом колебательного контура приемника является накопитель электрических зарядов конденсатор. Простейший конденсатор представляет собой два проводника электрического тока, например две металлические пластины, называемые обкладками конденсатора, разделенные диэлектриком, например воздухом или бумагой. Таким конденсатором ты уже пользовался во время опытов с простейшим приемником. Чем больше площадь обкладок конденсатора и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше электрическая емкость этого прибора.
Если к обкладкам конденсатора подключить источник постоянного тока (рис. 39, а), то в образовавшейся цепи возникнет кратковременный ток и конденсатор зарядится до напряжения, равного напряжению источника тока.
Ты можешь спросить: почему в цепи, где есть диэлектрик, возникает ток? Когда мы присоединяем к конденсатору источник постоянного тока, свободные электроны в проводниках образовавшейся цепи начинают двигаться в сторону положительного полюса источника тока, образуя кратковременный поток электронов во всей цепи. В результате обкладка конденсатора, которая соединена с положительным полюсом источника тока, обедняется свободными электронами и заряжается положительно, а другая обкладка обогащается свободными электронами и, следовательно, заряжается отрицательно. Как только конденсатор зарядится, кратковременный ток в цепи, называемый током зарядки конденсатора, прекратится.
Если источник тока отключить от конденсатора, то конденсатор окажется заряженным (рис. 39,6). Переходу избыточных электронов с одной обкладки на другую препятствует диэлектрик. Между обкладками конденсатора тока не будет, а накопленная им электрическая энергия будет сосредоточена в электрическом поле диэлектрика. Но стоит обкладки заряженного конденсатора соединить каким либо проводником (рис. 39, в), лишние электроны отрицательно заряженной обкладки перейдут по этому проводнику на другую обкладку, где их недостает, и конденсатор разрядится. В этом случае в образовавшейся цепи также возникает кратковременный ток, называемый током разрядки конденсатора. Если емкость конденсатора большая, и он заряжен до значительного напряжения, момент его разрядки сопровождается появлением значительной искры и треска.
Свойство конденсатора накапливать электрические заряды и разряжаться через подключенные к нему проводники используется в колебательном контуре радиоприемника.
А теперь, юный друг, вспомни обыкновенные качели. На них можно раскачиваться так, что дух захватывает. Что для этого надо сделать? Сначала подтолкнуть, чтобы вывести качели из положения покоя, а затем прикладывать некоторую силу, но обязательно только в такт с их колебаниями. Без особого труда можно добиться сильных размахов качелей получить большие амплитуды колебаний. Даже маленький мальчик может раскачать на качелях взрослого человека, если будет прикладывать свою силу умеючи. Раскачав качели посильнее, чтобы добиться больших амплитуд колебаний, перестанем подталкивать их. Что произойдет дальше? За счет запасенной энергии они некоторое время свободно качаются, амплитуда их колебаний постепенно убывает, как говорят, колебания затухают, и, наконец, качели остановятся.
При свободных колебаниях качелей, так же как свободно подвешенного маятника, запасенная потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения, которая в крайней верхней точке вновь переходит в потенциальную, а через долю секунды опять в кинетическую. И так до тех пор, пока не израсходуется весь запас энергии на преодоление трения веревок в местах подвеса качелей и сопротивления воздуха. При сколь угодно большом запасе энергии свободные колебания всегда являются затухающими: с каждым колебанием их амплитуда уменьшается и колебания постепенно совсем затухают качели останавливаются. Но период, т. е. время, в течение которого происходит одно колебание, а значит, и частота колебаний остаются постоянными.
Однако, если качели все время подталкивать в такт с их колебаниями и тем самым пополнять потери энергии, расходуемой на преодоление различных тормозящих сил, колебания станут незатухающими. Это уже не свободные, а вынужденные колебания. Они будут длиться до тех пор, пока не перестанет действовать внешняя подталкивающая сила.
Я вспомнил здесь о качелях потому, что физические явления, происходящие в такой механической колебательной системе, очень схожи с явлениями в электрическом колебательном контуре. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, ему надо сообщить энергию, которая подтолкнула бы в нем электроны. Это можно сделать, зарядив, например, его конденсатор.
Разорвем выключателем S колебательный контур и подключим к обкладкам его конденсатора источник постоянного тока, как показано на рис. 40 слева. Конденсатор зарядится до напряжения батареи GB. Затем отключим батарею от конденсатора, а контур замкнем выключателем S. Явления, которые теперь будут происходить в контуре, изображены графически на рис. 40 справа.
В момент замыкания контура выключателем верхняя обкладка конденсатора имеет положительный заряд, а нижняя отрицательный (рис. 40, а). В это время (точка 0 на графике) тока в контуре нет, а вся энергия, накопленная конденсатором, сосредоточена в электрическом поле его диэлектрика. При замыкании конденсатора на катушку конденсатор начнет разряжаться. В катушке появляется ток, а вокруг ее витков магнитное поле. К моменту полной разрядки конденсатора
(рис. 40, б), отмеченному на графике цифрой 1, когда напряжение на его обкладках уменьшится до нуля, ток в катушке и энергия магнитного поля достигнут наибольших значений. Казалось бы, что в этот момент ток в контуре должен был прекратиться. Этого, однако, не произойдет, так как от действия ЭДС самоиндукции, стремящейся поддержать ток, движение электронов в контуре будет продолжаться. Но только до тех пор, пока не израсходуется вся энергия магнитного поля. В катушке в это время будет течь убывающий по значению, но первоначального направления индуцированный ток.
К моменту времени, отмеченному на графике цифрой 2, когда энергия магнитного поля израсходуется, конденсатор вновь окажется заряженным, только теперь на его нижней обкладке будет положительный заряд, а на верхней отрицательный (рис. 40, в). Теперь электроны начнут обратное движение в направлении от верхней обкладки через катушку к нижней обкладке конденсатора. К моменту.3 (рис. 40, г) конденсатор разрядится, а магнитное поле катушки достигнет наибольшего значения. И опять ЭДС самоиндукции погонит по проводу катушки электроны, перезаряжая тем самым конденсатор.
В момент времени 4 (рис. 40, д) состояние электронов в контур будет таким же, как в первоначальный момент 0. Закончилось одно полное колебание. Естественно, что заряженный конденсатор вновь будет разряжаться на катушку, перезаряжаться и произойдут второе, за ним третье, четвертое и т.д. колебания. Другими словами, в контуре возникнет переменный электрический ток, электрические колебания. Но этот колебательный процесс в контуре не бесконечен. Он продолжается до тех пор, пока вся энергия, полученная конденсатором от батареи, не израсходуется на преодоление сопротивления провода катушки контура. Колебания в контуре свободные и, следовательно, затухающие.
Какова частота таких колебаний электронов в контуре? Чтобы подробнее разобраться в этом вопросе, сове тую провести такой опыт с простейшим маятником.
Подвесь на нитке длиной 100 см шарик, слепленный из пластилина, или иной груз массой в 20 40 г (на рис. 41 длина маятника обозначена латинской буквой 1). Выведи маятник из положения равновесия и, пользуясь часами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько полных колебаний он делает за 1 мин. Примерно 30. Следовательно, частота колебаний этого маятника равна 0,5 Гц, а период 2 с. За период потенциальная энергия маятника дважды переходит в кинетическую, а кинетическая в потенциальную. Укороти нить наполовину. Частота маятника увеличится примерно в полтора раза и во столько же раз уменьшится период колебаний.
Этот опыт позволяет сделать вывод: с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорционально уменьшается.
Изменяя длину подвески маятника, добейся, чтобы его частота колебаний равнялась 1 Гц. Это должно быть при длине нити около 25 см. При этом период колебаний маятника будет равен 1 с. Каким бы ты не пытался создать первоначальный размах маятника, частота его колебаний будет неизменной. Но стоит только укоротить или удлинить нитку, как частота колебаний сразу изменится. При одной и той же длине нитки всегда будет одна и та же частота колебаний. Это собственная частота колебаний маятника. Получить заданную частоту колебаний можно, подбирая длину нити.
Колебания нитяного маятника затухающие. Они могут стать незатухающими только в том случае, если маятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким образом ту энергию, которую он затрачивает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом, энергию трения, земного притяжения.
Собственная частота характерна и для электрического колебательного контура. Она зависит, во первых, от индуктивности катушки. Чем больше число витков и диаметр катушки, тем больше ее индуктивность, тем больше будет длительность периода каждого колебания. Собственная частота колебаний в контуре будет соответственно меньше. И, наоборот, с уменьшением индуктивности катушки сократится период колебаний возрастет собственная частота колебаний в контуре. Во вторых, собственная частота колебаний в контуре зависит от емкости его конденсатора. Чем емкость больше, тем больший заряд может накопить конденсатор, тем больше потребуется времени для его перезарядки, тем меньше частота колебаний в контуре. С уменьшением емкости конденсатора частота колебаний в контуре возрастает. Таким образом, собственную частоту затухающих колебаний в контуре можно регулировать изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора.
Но в электрическом контуре, как и в механической колебательной системе, можно получить и незатухающие, т.е. вынужденные колебания, если при каждом колебании пополнять контур дополнительными порциями электрической энергии от какого либо источника переменного тока.
Каким же образом в контуре приемника возбуждаются и поддерживаются незатухающие электрические колебания? Колебания радиочастоты, возбуждающиеся в антенне приемника. Эти колебания сообщают контуру первоначальный заряд, они же и поддерживают ритмичные колебания электронов в конт туре. Но наиболее сильные незатухающие колебания в контуре приемника возникают только в момент резонанса собственной частоты контура с частотой тока в антенне. Как это понимать?
Люди старшего поколения рассказывают, будто в Петербурге от шедших в ногу солдат обвалился Египетский мост. А могло это случиться, видимо, при таких обстоятельствах. Все солдаты ритмично шагали по мосту. Мост от этого стал раскачиваться колебаться. По случайному стечению обстоятельств собственная частота колебаний моста совпала с частотой шага солдат, и мост, как говорят, вошел в резонанс. Ритм строя сообщал мосту все новые и новые порции энергии. В результате мост настолько раскачался, что обрушился: слаженность воинского строя нанесла вред мосту. Если бы резонанса собственной частоты колебаний моста с частотой шага солдат не было, с мостом ничего бы не случилось. Поэтому, между прочим, при прохождении солдат по слабым мостам принято подавать команду сбить ногу.
А вот опыт. Подойди к какому-нибудь струнному музыкальному инструменту и громко крикни а: какая то из струн отзовется зазвучит. Та из них, которая окажется в резонансе с частотой этого звука, будет колебаться сильнее остальных струн она то и отзовется на звук.
Еще один опыт с маятником. Натяни горизонтально нетолстую веревку. Привяжи к ней тот же маятник из нити и пластилина (рис. 42). Перекинь через веревку еще один такой же маятник, но с более длинной ниткой. Длину подвески этого маятника можно изменять, подтягивая рукой свободный конец нитки. Приведи маятник в колебательное движение. При этом первый маятник тоже станет колебаться, но с меньшей амплитудой. Не останавливая колебаний второго маятника, постепенно уменьшай длину его подвески амплитуда колебаний первого маятника будет увеличиваться. В этом опыте, иллюстрирующем резонанс механических колебаний, первый маятник является приемником колебаний, возбуждаемых вторым маятником. Причиной, вынуждающей первый маятник колебаться, являются периодические колебания растяжки с частотой, равной частоте колебаний второго маятника. Вынужденные колебания первого маятника будут иметь максимальную амплитуду лишь тогда, когда его собственная частота совпадает с частотой колебаний второго.
Такие или подобные явления, только, разумеется, электрического происхождения, наблюдаются и в колебательном контуре приемника. От действия волн многих радиостанций в приемной антенне возбуждаются токи самых различных частот. Нам же из всех колебаний радиочастот надо выбрать только несущую частоту той радиостанции, передачи которой мы хотим слушать. Для этого следует так подобрать число витков катушки и емкость конденсатора колебательного контура, чтобы его собственная частота совпадала с частотой тока, создаваемого в антенне радиоволнами интересующей нас станции. В этом случае в контуре возникнут наиболее сильные колебания с несущей частотой той радиостанции, на волну которой он настроен. Это и есть настройка контура приемника в резонанс с частотой передающей станции. При этом сигналы других станций совсем не слышны или прослушиваются очень тихо, так как возбуждаемые ими колебания в контуре будут во много раз более слабыми.
Таким образом, настраивая контур своего первого приемника в резонанс с несущей частотой радиостанции, ты с его помощью как бы отбирал, выделял колебания частоты только этой станции. Чем лучше контур будет выделять нужные колебания из антенны, тем выше селективность приемника, тем слабее будут помехи со стороны других радиостанций.
До сих пор я рассказывал тебе о замкнутом колебательном контуре, т.е. контуре, собственная частота которого определяется только индуктивностью катушки и емкостью конденсатора, образующих его. Однако во входной контур приемника входят также антенна и заземление. Это уже не замкнутый, а открытый колебательный контур. Дело в том, что провод антенны и земля являются обкладками конденсатора (рис. 43), обладающего некоторой электрической емкостью. В зависимости от длины провода и высоты антенны над, землей эта емкость может составлять несколько сотен пикофарад. Такой конденсатор на рис. 34, а был показан штриховыми линиями. Но ведь антенну и землю можно рассматривать и как неполный виток большой катушки. Стало быть, антенна и заземление, взятые вместе, обладают еще и индуктивностью. А емкость совместно с индуктивностью образуют колебательный контур.
Такой контур, являющийся открытым колебательным контуром, тоже обладает собственной частотой колебаний. Включая между антенной и землей катушки индуктивности и конденсаторы, мы можем изменять его собственную частоту, настраивать его в резонанс с частотами разных радиостанций. Как это делается на практике, ты уже знаешь.
Я не ошибусь, если скажу, что колебательный контур является сердцем радиоприемника. И не только радиоприемника. В этом ты еще убедишься. Поэтому ему я и уделил много внимания.
Перехожу ко второму элементу приемника детектору.
4. Принцип работы передатчика
Сигнал с датчиков или любых других источников аналоговой информации поступает на быстродействующие аналоговые ключи. Работой, которых управляет схема временного разделения каналов, состоящая из дешифратора 1, счётчика 1 и генератора импульсов 1.Схема работает следующим образом:
Генератор импульсов 1 выдаёт короткие импульсы расстояния, между которыми равны времени преобразования А.Ц.П. Эти импульсы подсчитываются трёхразрядным асинхронным счётчиком импульсов граф которого имеет такой вид
Такой счётчик легко реализовать на трёх синхронных D-триггерах. Трёх разрядный двоичный код со счётчика 1 поступает на дешифратор 1, который в зависимости от кода подключает соответствующие каналы.
Таким образом, на вход А.Ц.П. поступают последовательно аналоговые сигналы с соответствующих аналоговых входов. А.Ц.П. синхронизируется побитовым генератором. Это генератор коротких импульсов, расстояние между которыми равно длительности элементарного символа в коде. А.Ц.П., как правило, содержит на выходе параллельный регистр, у которого выходы находятся в так называемом третьем состоянии (высокий импенданс) . Чтобы обеспечить вывод данных нужен сигнал разрешения он поступает от генератора импульсов 1. После вывода параллельного кода выводы этого регистра автоматически переходят обратно в третье состояние.
С А.Ц.П. выходит 9 разрядный параллельный код командного слова, который поступает на преобразователь кода из параллельного в последовательный. Такой преобразователь может быть выполнен на параллельно-последовательном регистре, который синхронизируется также от побитового генератора.
В качестве синхрослова используется 63 разрядная М-последовательность. Синхрослово должно быть в начале кадра. Схема формирования синхрослова может быть выполнена на основе формирователя М-последовательности и на основе П.З.У. Первый вариант схемы (рис.1) работает таким образом:
Имеется формирователь М-последовательности (Ф.М.П.), который легко реализуется с помощью линейных переключательных схем на основе сдвигающих регистров. Принцип формирования в данном проекте рассматривать не будем, он очень подробно рассмотрен в литературе . В качестве синхросигнала для Ф.М.П. используется побитовый генератор импульсов. Генерация последовательности начинается, когда приходит сигнал высокого уровня со схемы сравнения (сигнал пуск). Такой сигнал возможен только в том случае если подключен первый канал и начат вывод из А.Ц.П. первого кодового слова. Для формирования 63 разрядной М-последовательности необходимо 64 импульса. Схема подсчёта этих импульсов выполнена на счётчике 2 и дешифраторе 2. Как только счётчик насчитывает 64 импульса на соответствующем выходе дешифратора появляется сигнал высокого уровня (сигнал останов.), который останавливает Ф.М.П. Так как счётчик 2 будет постоянно считать импульсы с побитового генератора импульсов, то в момент начала формирования М-последовательности его надо вернуть в исходное состояние (сбросить). Для этого сигнал пуск со схемы сравнения подаётся на ключ, который подключает сигнал высокого уровня на небольшое время к входу сброса счётчика. Сигнал останов. также переводит регистр-преобразователь кода из третьего состояния в рабочее и с его выхода начинает выходить М-последовательность в последовательном двоичном коде. Как только все 63 разряда синхрослова выйдут из регистра, он автоматически переходит в третье состояние.
Второй вариант схемы (рис.2) формирования М-последовательности основан на использовании П.З.У. Принцип работы такой:
Аналогично схеме с генератором М-последовательности имеется сигнал пуск. Он поступает на П.З.У. и переводит его в режим считывания. В П.З.У. заранее запрограммирована нужная 63 разрядная М-последовательность. Также на П.З.У. поступает сигнал синхронизации от битового генератора, как и в предыдущей схеме. Синхрослово выходит в параллельном коде из П.З.У. и поступает на преобразователь кода в виде регистра. После вывода П.З.У. выходит из режима считывания и ждёт сигнал пуск. Сигнал пуск также переводит преобразователь кода в рабочее состояние, и начинается вывод синхрослова в последовательном коде под действием сигнала синхронизации, поступающего от битового генератора. Эта схема наиболее простая так как требуется меньше сигналов управления по сравнению со схемой на формирователе. Также малогабаритнее, дешевле и надёжнее так как используется меньше радиоэлементов и микросхемы П.З.У. такой малой емкости очень дёшевы. В работе я рассмотрел простейший вариант схемы. Вообще, как правило, такие схемы формирования делаются на микропроцессорном комплекте или микроконтроллерах, тогда всё управление можно осуществлять программным путём через порты ввода-вывода.
Синхрослово поступает на сумматор, где суммируется с кодовыми словами. Чтобы не было наложения синхрослова на кодовые слова необходимо задержать кодовые слова на время равное длительности синхрослова. Это делается с помощью цифровой линии задержки или блока памяти.
В результате образуется кадр, состоящий из синхрослова и 7кодовых слов, разделённых по времени. Далее,сигнал поступает на в.ч. каскад (рис.3) где он поступает на фазовый манипулятор, с помощью которого манипулируется поднесущая. Сформированным фазоманипулированным сигналом на поднесущей осуществляется фазовая модуляция несущего колебания.
На в.ч. каскад
На в.ч. каскад
С обратной связью наиболее характерно для управления бортовой аппаратурой космических аппаратов. 4. Разработка функциональной схемы радиолинии 4.1 Спектр сигнала КИМ-ЧМ-ФМ Сигнал КИМ-ЧМ-ФМ является одним из наиболее часто применяемых сигналов при организации цифровой связи по радиоканалам большой длительности. Символы сигнала КИМ заполняются прямоугольными колебаниями (меандром) разной...
... : 2.4 Расчет энергетического потенциала Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала к спектральной плотности шума, пересчитанное ко входу приемника. В задании курсового проектирования задана линия с расстоянием между приемником и передатчиком 200 км. Зададимся, что это линия Земля - управляемый объект. Линия связи подобного типа предназначена для...
Применяется посимвольный прием. Рисунок 1. Функциональная схема радиолинии КИМ-ФМ Необходимо знать - скорость передачи информации R (двоичных единиц в секунду), энергетический потенциал радиолинии, закон изменения несущей частоты из-за нестабильности передатчика и движения передающего и принимающего пунктов. Предполагается также, что символы в КИМ сигнале могут считаться независимыми, а...
Российские летательные аппараты, совершившие посадку на Венеру в 1982 г., послали на Землю цветные фотографии с изображением острых скал. Благодаря парниковому эффекту, на Венере стоит ужасная жара. Атмосфера, представляющая собой плотное одеяло из углекислого газа, удерживает тепло, пришедшее от Солнца. В результате скапливается большое количество тепловой энергии. Цифровая радиолиния с...
