ЕЛЕКТРИЧЕСКИ СИГНАЛИ Сигналът е физическа величина или процес, който чрез измененията си отразява предаваната информация (съответно предаваното съобщение). Видове сигнали: Според тяхната природа: електрически, акустични, оптични. Според предназначението: телефонни сигнали, видеосигнали, радиосигнали и др. Електрическият сигнал представлява определено изменение на големината на напрежението и тока във времето. Различават се полезни и смущаващи (паразитни) сигнали. Полезният сигнал е носител на някаква информация, като неговото изменение във времето става по определен закон. Видове електрически сигнали Електрическите сигнали биват аналогови и импулсни. Аналогови са тези сигнали, които се изменят във времето сравнително плавно (фиг. 1а). Фиг. 1. Видове електрически сигнали При тях напрежението и токът в различните моменти могат да имат най-различни стойности. Например аналогови са сигналите в микрофоните, нискочестотните усилватели, радиоприемниците, радиопредавателите и т. н. При импулсните сигнали напрежението и токът в определени моменти се изменят рязко (със скок), като след това изменението може да става плавно по някакъв експоненциален закон (фиг. 1б). Трябва да се отбележи, че в някои случаи е трудно да се направи разграничение между аналогови и импулсни сигнали. Например 1
демодулираният телевизионен сигнал, показан на фиг.1в, е смесен сигнал, понеже има аналогов характер, но съдържа и импулси. В цифровата техника се работи с цифрови сигнали, които са частен случай на импулсните. Цифровите сигнали обикновено са правоъгълни и имат само две нива, съответствуващи на логическата нула и логическата единица (фиг. 1г, д, е). Тези две нива най-често са едни и същи в различните стъпала на едно изчислително устройство, обаче възникването" на сигналите в тези стъпала става в различни моменти от времето в съответствие с някакъв логически закон. Обект на цифровата електроника са схемите и устройствата, работещи с цифрови сигнали, найхарактерните примери за които са компютрите и съвременните комуникационни устройства. Според измененията си във времето електрическите сигнали биват още периодични и непериодични (фиг. 2). Фиг. 2. Периодични и непериодични електрически сигнали Периодични сигнали са тези сигнали, които се повтарят през точно определени интервали от време, наречени периоди на повторение. Най-простият периодичен сигнал е синусоидалното (хармоничното) трептене (фиг. 2), което аналитично се представя с известния израз u U sin( ) m t Тук u е моментната стойност на напрежението, U m е амплитудната му стойност, 2 f е кръговата честота, t е времето, а е началната фаза. Периодът Т на повторение на трептенето е свързан с честотата му f чрез формулата 1 T f Синусоидалното трептене е най-простият вид периодично изменение, защото не може да се разложи на по-прости съставни трептения. Източници на синиусоидални трептения са специалните 2
лабораторни генератори (нискочестотни и високочестотни), някои автогенератори и др. Между амплитудните и ефективните стойности на синусоидалното трептене (фиг. 2) съществуват зависимостите U m = 2.U и I m = 2.I. Непериодични сигнали са тези сигнали, които не се повтарят през точно определени интервали от време. Такива сигнали се наричат още случайни. Случайни сигнали са смущенията. Примери за източници на смущения са: проводниците на електрическата мрежа в сградите и извън тях, телевизионните и радиопредавателите, тези на GSM-мрежата, различни други телекомуникационни системи, медицински апаратури, електродвигатели, трансформатори, системи за дистанционен контрол и др. ПАРАМЕТРИ НА ИМПУЛСИТЕ. СПЕКТРАЛЕН СЪСТАВ НА ПОРЕДИЦА ОТ ИМПУЛСИ Общи сведения. Електрическият импулс представлява краткотрайно изменение на напрежението (или тока) от някакво начално ниво. Например телеграфният ключ има две положения: включено и изключено, и с него могат да се получават електрически импулси. Различават се главно два вида електрически импулси: видеоимпулси и радиоимпулси. Видеоимпулсите могат да бъдат правоъгълни, триъгълни, трапецовидни, островърхи и др. (фиг. 3а, б, в, г). Освен това те могат да бъдат положителни (над абсцисата), отрицателни (под абсцисата) и двуполярни. Фиг. 3. Импулсни сигнали 3
Радиоимпулсите представляват пакети от високочестотни трептения (фиг. 3д) и намират приложение в радиолокацията. Основни параметри. Най-важните параметри на електрическите импулси са следните: Амплитуда (размах) на импулса U M. Това е най-голямата стойност на напрежението на импулса (фиг. 3е). Продължителност (времетраене) на импулса t И. Това е времето, за което напрежението има стойност, не по-малка от ниво 0,1 U M (фиг. 3е). При някои краткотрайни импулси продължителността се отчита на ниво 0,5 U M. Продължителност на предния и на задния фронт t ф, t зф. Това е времето за нарастване, съответно на спадане на импулса от ниво 0,1 U M до 0.9 U M (фиг. 3е). Спадане на платото импулса. Период на повторение на импулсите Т. Това е времето между началото на два съседни импулса с еднаква полярност (фиг. 3а). Честота на повторение на импулсите f. Тя е свързана с периода чрез познатото равенство U. Това е изменението на горната част на 1 f. T Коефициент на запълване δ. Той е равен на отношението на продължителността на импулса към периода на повторение, т. е.. Спектрален състав на поредица от импулси. Поредицата от импулси представлява периодично, но несинусоидално трептене. Съгласно теоремата на Фурие то може да се разглежда като сума от една постоянна съставка и голям брой синусоидални трептения с честоти, кратни на основната. Като пример на фиг. 4 са показани съставките на една поредица от правоъгълни импулси с коефициент на запълване δ=0,5. Вижда се, че големината на постоянната съставка е 50% от размаха на импулсите, първата хармонична има амплитуда 64% и т. н. t и T 4
Фиг. 4. Спектрални съставки на поредица от правоъгълни импулси От теоремата на Фурие следва, че при поредица от импулси броят на хармониците е безкрайно голям. Но тъй като с увеличаване на честотата им амплитудите намаляват, в практиката се вземат под внимание само първите 5-15 хармоника. Доказва се, че при поредица от правоъгълни импулси 95% от 2 енергията им е съсредоточена в честотния интервал от нула до fb. tи Например, ако tи =100 s, честотният спектър на тази поредица ще се простира от fн=0 до fв= 2/tи =2/100.10-6 =20 khz. Ако обаче tи =1 s, честотният спектър ще се простира между fн=0 и fв = 2/tи = 2/1.10-6 = 2MHz. Този пример показва как се определя честотната лента на усилвателите на импулсни сигнали. Пример за изчисление параметрите на правоъгълни импулси Сред масово използваните периодични сигнали са правоъгълните импулси, които имат само две стойности - максимална S max и минимална S min, като разликата S max S min представлява тяхната амплитуда S p-p. С най-голямо приложение са еднополярните положителни импулси, при които двете стойности са положителни и съответно S max >S min (фиг. 5а). а б 5
в Фиг. 5 г Продължителността на импулсите се означава с t i, но обикновено тази на импулсите с амплитуда S max е t i+, а на тази с S min е t i. В много голяма част от компютърните и комуникационни прибори се използват такива импулси с t i+ = t i. В електронните прибори е прието всички постоянни напрежения да се измерват спрямо т.нар. маса система от проводници, чието напрежение е 0. Масата в приборите със захранване от електрическата мрежа е свързана с нулевия й проводник, а в тези с батерийно захранване към отрицателния полюс на батерията. По-рядко се използват двуполярни импулси, при които S max обикновено е положително напрежение, а S min отрицателно (фиг. 5б). Поради естеството на електронните схеми и свързващите ги проводници не е възможно показаното на фиг. 5а,б моментално изменение на импулса от едната до другата стойност. Практически това става за някакво крайно време и реалните еднополярни правоъгълни импулси имат вида на фиг. 5в (за простота е показан само един импулс). Частта от него, при която става промяна на стойността му от S min на S max, се нарича преден (нарастващ) фронт с продължителност t r. За нейното определяне независимо от амплитудите се приема S min да е 0%, а S max - 100%, при което t r обикновено е времето за нарастване от 10% до 90%. Частта за промяна от S max на S min представлява заден (спадащ) фронт, чиято продължителност t f аналогично най-често се измерва при намаляване на импулса от 90% до 10%. Определянето на продължителността на реалните импулси също е показано на фиг. 5в между двете точки от предния и задния фронт, при които моментната стойност е 50%. Понятието стръмен фронт означава много по-малка негова продължителност (поне 10 пъти) от t i. При идеалните импулси продължителностите са равни на 0 и затова се казва, че фронтовете са безкрайно стръмни. 6
За простота реалните импулси често се представят като трапец. Такъв импулс е даден на фиг. 5г заедно с определенията в този случай на t r, t f и t i. Пример. Положителният импулс на фиг. 5б е с амплитуда +4,4V и продължителност 0,6 s, а отрицателният - с амплитуда 0,2V и продължителност 0,4 s. Да се изчислят: периодът Т, честотата им f; амплитудата от връх до връх; коефициентът на запълване δ и средната стойност на импулсите S AV. Периодът Т представлява сумата от продължителностите на положителните и отрицателните импулси и е 1 1 T = 0,6 s + 0,4 s = 1 s, а честотата е f 1 MHz. T 1 s Амплитудата на импулсите е: S p-p = S max S min = 4,4V ( 0,2V) = 4,6 V. Тъй като коефициент на запълване е частта от периода Т, T 0.6 s съответстваща на положителния импулс, се получава 0. 6 1 s Средната стойност на импулсите S AV е: S AV = δ.s max + (1 δ).s min = 0,6x4,4V + (1 0,6)x( 0,2V) = 2,64V 0,08V =2,56V t i 7