Файл: Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 167
Скачиваний: 10
Л. 3. БОБРОВНИКОВ
РАДИОТЕХНИКА
И
ЭЛЕКТРОНИКА
И ЗДА Н ИЕ ВТОРОЕ, П Е Р Е Р А Б О Т А Н Н О Е И Д О П О Л Н Е Н Н О Е
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н Е Д Р А » М О С К В А 1974
У Д К [621.396 - f 621.38] (07&8) |
Г о с . riv^; |
- |
- я |
| |
|
J/Y |
биб-лиочч' |
* |
• |
C P |
I |
j |
ЧИТАЛИ-. |
ОГО |
ЗЛ.г гД |
^ |
Бобровников Л . 3 |
. Радиотехника и электроника. Изд. 2, перераб. |
|
и доп. М., |
«Недра», |
1974.360 с. |
В книге |
приведены характеристики сигналов и устройств. |
Рассмотрены элементы и детали радиоэлектронных устройств, функциональные элементы и узлы: электронные и плазменные лампы; транзисторы; фотоэлектрические, электросветовые и светопреобразовательные, магнитоэлектрические, диэлектрические, химотронные и электроакустические приборы. Дано описание инфор мационных систем.
Книга предназначена в каяестве учебника для студентов геофизи ческих и геологических специальностей геологоразведочных инсти тутов и факультетов.
Таблиц 2, иллюстраций 174, список литературы — 7 назв.
© Издательство «Недра», 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
С момента выхода в свет первого издания учебника прошло почти семь лет. За эти годы в радиоэлектронике произошла буквально техническая революция: на смену старым, собираемым из отдельных деталей функциональным узлам и блокам пришли новые, выполняе мые как единое целое в едином технологическом процессе интеграль ные микросхемы, каждая из которых осуществляет заданную опе рацию — сложение, усиление, умножение, фильтрацию и т. д. Это не только значительно упростило производство любой радиоэлект ронной аппаратуры, увеличило на много порядков ее надежность и уменьшило на 2—3 порядка ее габариты, вес и потребление энер гии питания, но и почти беспредельно расширило ее возможности.
Все это потребовало коренной переработки учебника, сокраще ния (или даже исключения) некоторых разделов и введения новых. Особенно большой переработке подверглась описательная часть книги, в которой рассматриваются основные усилительные элементы: электронные лампы, транзисторы, плазменные приборы и т. д. При этом, по мнению автора, достаточно оптимально выдержано соот ношение между материалом, необходимым студентам немедленно для ознакомления и работы с существующей в учебных лабораториях геофизической аппаратурой, и тем материалом, который будет нужен инженерам-геофизикам в практической работе. В связи с этим сокращены разделы, в которых рассматриваются, например, элект ронные лампы, плазменные приборы и т. д., применяемые в геофизи ческой аппаратуре с каждым годом все ограниченнее, и введены новые разделы с изложением основ работы приборов, на которых будет выполняться радиоэлектронная геофизическая аппаратура через несколько лет.
Значительно расширены разделы, посвященные основным функ циональным узлам и элементам с учетом выполнения их на стандарт
ных |
микросхемах в интегральном исполнении. |
В |
целом структурная схема книги изменилась несущественно: |
как и в первом издании изложение материала ведется с позиций теории сигналов и преобразования их линейными, нелинейными и параметрическими радиоэлектронными устройствами. При этом ис
пользуется довольно обширный физико-математический |
аппарат, |
Г |
3 |
но в пределах объема курсов физики и математики, читаемых на гео физических факультетах. Необходимость изложения большого круга вопросов современной радиоэлектроники в весьма ограниченном объеме привела к тому, что в ряде случаев пришлось ограничиться лишь констатацией фактов существования тех или иных явлений, без строгого их обоснования и подробного математического доказа тельства. В некоторых случаях в упражнениях читателям самим предоставляется возможность доказательства, обоснования или вы вода некоторых относительно простых закономерностей и формул.
Улучшению книги во многом способствовали замечания, сделан ные во время ее обсуждения на кафедре геофизических методов ис следования земной коры МГУ им. М. В. Ломоносова и кафедрах геофизики, математики и механизации и автоматизации горных и геологоразведочных работ МГРИ, сотрудникам которых автор выражает глубокую признательность.
Р А З Д ЕЛ ПЕРВЫЙ
ХАРАКТЕРИСТИКА СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВ
Глава I
ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ СИГНАЛОВ
Сигнал является отображением сообщения и представляет физи ческий процесс, посредством которого осуществляется передача сообщения в пространстве или во времени. Сигналы могут быть
естественными или искусственными.
Сигналы естественные имеют непосредственную связь с переноси мым сообщением, которое и определяет их вид. Вид искусственного
сигнала обычно определяется не |
видом передаваемой информации, |
а условным соглашением между |
корреспондентами. |
При геофизических исследованиях сигналами могут быть упругие или электромагнитные волны, распространяющиеся в земной коре •от искусственного или естественного источника; магнитные или гравитационные вариации и аномалии; уровень ионизирующего излучения и т. д. Обычно геофизические сигналы с помощью датчи ков преобразуются в электрические сигналы, которые после усиле ния и соответствующей обработки снова преобразуются в вид, удоб ный для анализа и хранения. В процессе преобразования сигналов возможна как утрата части информации, так и добавление ложной информации, что может затруднить распознавание истинного сооб щения. Чтобы свести к минимуму искажения информации при раз личных преобразованиях, параметры сигналов и характеристики преобразующих систем должны быть согласованы.
Имеются два способа выражения параметров сигналов и характе ристик преобразующих систем — временной и спектральный (частот ный).
При временном способе сигнал представляется или в виде не прерывной функции времени, или в виде суммы элементарных им пульсов, следующих друг за другом через конечные или бесконечно малые промежутки времени.
Спектральный способ основан на представлении сигнала в виде спектра — суммы гармонических составляющих различных частот, разделенных бесконечно малыми или конечными промежутками. •Оба способа описания сигналов совершенно адекватны и выбор того или иного способа произволен.
Сигналы принято называть регулярными, если они могут быть шредставлены в виде заранее заданных математических функций,
5
и нерегулярными (случайными), если это не может быть сделано. Регулярные сигналы подразделяются на три основных типа — перио дические, почти периодические и непериодические (импульсные). Нерегулярные сигналы могут быть стационарными и нестационар ными.
§ 1. Периодические сигналы
Периодическим принято называть сигнал, повторящийся через регулярные интервалы времени,
x(t) = x(t + nT), |
(1) |
где t — время (—оо ==с t sc + ° ° ) ;
п— целое число;
Т— период повторения.
Периодический сигнал несет информацию, ограниченную одним периодом; все остальные периоды являются точной копией первого и дополнительной информации не несут. Строго периодических си гналов не существует, любой реальный повторяющийся процесс всегда имеет начало и конец, что позволяет говорить лишь о про цессе, более или менее приближающемся к периодическому.
Простейшим периодическим сигналом является гармонический синусоидальный сигнал
|
x(t) = |
A sin (erf + ф0) = A sin |
t + q>0 ), |
(2) |
|
где А — амплитуда |
колебания; |
|
|
||
Т = |
— — период, |
сек; |
|
|
|
|
со — частота, |
рад/сек; |
|
|
|
(со£ + |
ф0 ) — мгновенная |
фаза; |
|
|
|
|
ф0 — начальная |
фаза. |
|
|
Сложные периодические сигналы удобно анализировать с помощью рядов Фурье, представляя сигнал в виде бесконечной суммы синусо
идальных и косинусоидальных |
составляющих: |
|
|||
' оо |
|
|
|
|
|
х (/) =-- а0 + 2i |
lak |
c o s |
—f~ 1 + b k s i n |
~f~ f\ |
= |
* - l |
|
|
|
|
|
|
0 0 |
|
|
|
|
= a o + |
2j |
lak c o s kcot-\-bksin |
кШ]. |
(3) |
|
|
ft=i |
|
|
|
|
Здесь a0 — постоянная |
составляющая сигнала, |
равная |
|||
Г / 2 |
|
|
at=n |
|
|
6 |
-Tf2 |
at=-ji |
ah — амплитуда fc-той косинусоидалыюй составляющей сигнала, равная
|
|
|
Т / 2 |
|
|
|
|
|
|
Я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Г |
|
|
|
^лк |
|
1 |
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
ak |
= — |
I |
ж (г) cos -~— tdt = — |
|
I а; (со*) cos |
to d (co£); |
|
|||||||||||
|
|
- Т / 2 |
|
|
|
|
|
- я |
|
|
|
|
|
|
|
|||
— амплитуда |
/с-той |
синусоидальной |
|
составляющей |
|
|||||||||||||
|
|
|
Г / 2 |
|
|
|
|
|
|
Я |
|
|
|
|
|
|
|
|
bk |
— y- |
|
х (t) s |
i |
n t |
dt = |
— \ |
x (at) |
sin |
kat d |
|
|
||||||
|
|
- Г / 2 |
|
|
|
|
|
- Я |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Если |
воспользоваться формулой |
Эйлера |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
cos 0 + |
/ sin 9 = |
e'9 , |
|
|
|
|
(4) |
|||||
то можно |
|
представить |
ряд |
Фурье в |
комплексной |
форме |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
ОО |
. |
2JTk |
|
|
оо |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
* ( 0 = |
2 |
C f t e ' ~ |
= |
2 |
Ск№. |
|
|
(5) |
|||||||
|
|
|
|
|
fe=-oo |
|
|
|
k=—ca |
|
|
|
|
|
||||
Комплексная |
амплитуда |
СА |
определяется |
как |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Г / 2 |
|
|
. 2ЯЙ |
|
|
|
я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Т / 2 |
|
|
|
|
|
|
- Я |
|
|
|
|
|
|||
Выражение |
(3) |
можно |
представить |
|
в |
|
виде |
|
|
|
||||||||
|
|
оо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
|
|
х (t) = |
aQ + ^ - 4 f t cos |
|
|
f — cpft) = |
а0 |
+ ^ |
Ak |
cos |
( t o — q>fe), |
(6) |
||||||||
где |
|
ft-1 ft=l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
= |
К |
+ Ы Г / ! ; cp* = |
|
a r c t g - ^ - . |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Совокупность амплитуд |
гармонических |
|
составляющих |
Ak |
носит |
|||||||||||||
название спектра амплитуд, фА — спектра |
|
фаз, |
Ck |
••— комплексного |
||||||||||||||
спектра. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
График амплитудного спектра периодического сигнала (рис. 1) |
||||||||||||||||||
дискретен |
и гармоничен — спектральные |
|
составляющие |
находятся |
в простых кратных отношениях и равно отстоят друг от друга. Низ шая частота спектра называется основной частотой или первой гар моникой, а все остальные частоты спектра являются высшими гар мониками основной частоты. В спектре периодического сигнала не может быть гармоники с частотой ниже, чем основная (кроме по стоянной составляющей, имеющей нулевую частоту).
Гармонические составляющие периодического процесса орто гональны и, следовательно, взаимонезависимы, что позволяет из менять и даже совсем удалять из спектра любые гармоники, при
этом амплитуды и фазы оставшихся не изменяются. Ортогональность гармонических составляющих позволяет проводить разложение си гнала на конечное число гармоник и при этом ошибка аппроксимации может быть сколь угодно мала. Это очень важно, ибо бесконечно широкий спектр, начинающийся от постоянного тока и кончающийся бесконечно высокими частотами, не может быть преобразован пол ностью, так как полоса пропускаемых частот у реальных преобразо
вателей ограничена. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Под шириной спектра понимается область |
частот, |
в |
которой со |
||||||||
средоточена основная |
энергия сигнала. Во многих случаях большая |
||||||||||
// |
|
|
|
часть |
энергии |
сигнала |
сосредо |
||||
|
|
|
|
точена |
в области |
первых |
10— |
||||
|
|
|
|
20 гармоник. Ограничение |
ши |
||||||
|
|
|
|
рины |
спектра |
преобразуемого |
|||||
— Т ~- |
|
|
|
сигнала |
должно |
быть |
сделано |
||||
|
|
|
не только исходя из энергети |
||||||||
|
|
|
|
||||||||
А |
|
|
|
ческих |
соображений, |
необхо |
|||||
Ь |
|
|
димо |
учитывать |
и |
искажения |
|||||
|
|
|
|||||||||
|
1 |
' |
|
формы сигнала, так как уда |
|||||||
|
t |
ление |
высокочастотных |
гармо |
|||||||
|
ник, практически |
|
не |
перено |
|||||||
|
Jw |
5w |
7w |
сящих энергию сигнала, в той |
|||||||
|
Рис. |
1. |
|
или иной степени искажает его |
|||||||
|
|
|
|
форму. |
|
|
|
|
|
|
В отдельные моменты времени гармоники сложного периодиче ского сигнала могут складываться в одной фазе или быть в противофазе — возникают максимумы и минимумы.
Отношение максимального уровня к минимальному называется
динамическим диапазоном |
сигнала и обычно выражается в децибелах: |
||
Dc |
= 20 lg Us |
дб. |
(7) |
|
u.min |
|
|
Разложение периодического сигнала в тригонометрический или экспоненциальный ряд Фурье не является единственно возможным: имеется множество ортогональных функций — полиномы Лежандра, Якоби, Эрмита, Чебышева, функции Лягерра, Бесселя и т. д., обеспечивающих быструю сходимость ряда, аппроксимирующего заданную функцию сигнала с необходимой точностью.
§ 2. Почти периодические сигналы
Под почти периодическими принято понимать сигналы с дискрет ными, но негармоническими спектрами. В этом случае соотношение частот составляющих не является целочисленным и может быть любым, в том числе и иррациональным. Например, почти периоди ческим является сигнал в виде суммы, разности или произведения
8