Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   Искать в Школе для электрика:
 
 

 

Справочник электрика / Основы электротехники

 

Источники электрических сигналов


Источники электрических сигналовРазность потенциалов двух различных точек называется электрическим напряжением, которое для краткости называют просто "напряжением", поскольку теория электрических цепей изучает в основном электрические явления или процессы. Следовательно, если некоторым образом создать две области, потенциалы которых отличаются друг от друга, то между ними появится напряжение U = φ1 — φ2, где φ1 и φ2 - потенциалы областей того устройства, в котором за счет затраты некоторой энергии образуются электрические потенциалы с неодинаковыми значениями.

Например, в сухом элементе имеются различные химические вещества — уголь, цинк, агломерат и другие. В результате химических реакций затрачивается энергия (в данном случае химическая), но взамен в элементе появляются зоны с различным количеством электронов, что вызывает неодинаковые потенциалы в тех частях элемента, где находятся угольный стержень и цинковый стаканчик.

Следовательно, между выводами, от угольного стержня и цинкового стаканчика, оказывается напряжение. Это напряжение в разомкнутых зажимах источника называется электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Таким образом, ЭДС — это тоже напряжение, но при вполне определенных условиях. Электродвижущая сила измеряется в тех же единицах, что и напряжение, а именно - в вольтах (В) или дольных единицах — милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ), причем 1 мВ = 10-3 В, а 1 мкВ = 10-6 В.

Термин "ЭДС", сложившийся исторически, строго говоря, неточен, поскольку ЭДС имеет размерность напряжения, а вовсе не силы, поэтому от него в последнее время отказываются, заменяя терминами "внутреннее напряжение" (т. е. напряжение, возбуждаемое внутри источника) или "опорное напряжение". Поскольку термин "ЭДС" употребляется во множестве книг и ГОСТами не упразднен, в данной статье будем им пользоваться.

Следовательно, электродвижущая сила источника (ЭДС) есть разность потенциалов, образующаяся внутри источника в результате затраты каких-то видов энергии.

Иногда говорят, что ЭДС в источнике образуется сторонними силами, под которыми понимаются воздействия неэлектрического характера. Так, в генераторах, установленных на промышленных электростанциях, ЭДС образуется за счет затраты механической энергии, например энергии падающей воды, сжигаемого топлива и т. д. В настоящее время все более широкое распространение получают солнечные батареи, в которых световая энергия преобразуется в электрическую, и т. д.

Источники электрических сигналовВ технике связи, радиоэлектронике и других отраслях техники электрические напряжения получают от специальных электронных устройств, называемых генераторами сигналов, в которых энергия промышленной электрической сети преобразуется в различные напряжения, снимаемые с выходных зажимов. Таким образом, генераторы сигналов потребляют электрическую энергию от промышленной сети, а выдают напряжения также электрического вида, но с совершенно иными параметрами, которые нельзя получить непосредственно от сети.

Важнейшей характеристикой любого напряжения является его зависимость от времени. В общем случае генераторы создают напряжения, значения которых изменяются при изменении времени. Это означает, что в каждый момент напряжение на выходных зажимах генератора оказывается различным. Такие напряжения называются переменными, в отличие от постоянных, значения которых остаются неизменными при изменении времени.

Следует помнить, что передать какую-либо информацию (речь, музыку, телевизионное изображение, цифровые данные и т. д.) с помощью постоянных напряжений принципиально невозможно, а так как техника связи предназначена именно для передачи информации, то основное внимание будет уделяться рассмотрению сигналов, изменяющихся во времени.

Напряжения в каждый момент времени называют мгновенными. Мгновенные значения напряжения в общем случае являются переменными, зависящими от времени, и обозначаются малыми (строчными) буквами и (t), или, короче, — и. Совокупность мгновенных значений образует форму сигнала. Например, если в интервале от t = 0 до t = t1 напряжения возрастают пропорционально времени, а в интервале от t = t1 до t = t2 — убывают по такому же закону, то такие сигналы имеют треугольную форму.

Очень важными в технике связи являются сигналы прямоугольной формы. У таких сигналов напряжение в интервале от t0 до t1 равно нулю, в момент t1 скачком возрастает до максимального значения, в интервале от t1 до t2 остается неизменным, в момент t2 скачком уменьшается до нуля и т. д.

Электрические сигналы делятся на периодические и непериодические. Периодическими называют сигналы, мгновенные значения которых повторяются через одно и то же время, называемое периодом Т. Непериодические сигналы появляются только один раз и более не повторяются. Законы, которым подчиняются периодические и непериодические сигналы, весьма различны.

alt

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Многие из них, будучи совершенно правильными для периодических сигналов, оказываются совершенно несправедливыми для непериодических и наоборот. Изучение непериодических сигналов требует значительно более сложного математического аппарата, чем для изучения периодических.

Очень важными являются сигналы прямоугольной формы с паузами между импульсами, или, как их называют, "посылками" (от понятия "посылать сигналы"). Такие сигналы характеризуются скважностью, т. е. отношением времени периода Т ко времени посылки tи:

Например, если время паузы равно времени импульса, т. е. посылка происходит в течение половины периода, то скважность

а если время посылки составляет одну десятую часть периода, то

Для визуального наблюдения формы напряжения используют измерительные приборы, называемые осциллографами. На экране осциллографа электронный луч прочерчивает кривую того напряжения, которое подведено к входным зажимам осциллографа.

При обычном включении осциллографа кривые на его экране получаются в функции времени, т. е. луч прочерчивает изображения, аналогичные показанным на рис. 1, а — 2, б. Если в одной электронно-лучевой трубке имеются устройства, создающие два луча и, таким образом, позволяющие наблюдать сразу два изображения, то такие осциллографы называются двухлучевыми.

Двухлучевые осциллографы имеют две пары входных зажимов, называемые входами первого и второго каналов. Двухлучевые осциллографы значительно совершеннее однолучевых: с их помощью можно наглядно сравнивать процессы в двух различных устройствах, на входных и выходных зажимах одного устройства, а также производить ряд весьма интересных экспериментов.

Рис. 4

Осциллограф является наиболее совершенным измерительным прибором, используемым в электронной технике, с его помощью можно определять форму сигналов, измерять напряжения, частоты, фазовые сдвиги, наблюдать спектры, сравнивать процессы в различных цепях, а также производить целый ряд измерений и исследований, которые будут рассмотрены в последующих разделах.

Разность между наибольшим и наименьшим мгновенными значениями называется размахом напряжения Up (большая буква указывает на то, что описывается величина, постоянная во времени, а индекс "р" означает слово "размах". Может быть использовано также обозначение Uе). Таким образом, на экране осциллографа наблюдатель видит форму исследуемого напряжения и его размах.

Например, на рис. 4, а приведена кривая напряжения синусоидальной формы, на рис. 4, б — однополупериодной, на рис. 4, в — двухполупериодной, на рис. 4, г — сложной формы.

Если кривая симметрична относительно горизонтальной оси, как, например, на рис. 3, а, то половину размаха называют максимальным значением и обозначают Um. Если кривая односторонняя, т. е. все мгновенные значения имеют один и тот же знак, например положительный, то размах равен максимальному значению, в этом случае Um = Up (см. рис. 3, а, 3, б, 4. б, 4,в). Таким образом, в технике связи основными характеристиками напряжений являются: период, форма, размах; при любых экспериментах, расчетах, исследованиях следует, прежде всего, иметь представление об этих величинах.