Текст книги "Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником"

Автор книги: Генрих Кардашев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 19 страниц)

2.2. С чего начинается радио

От маятника к контуру

Вначале были колебания…

В «Исторических повествованиях о жизни синьора Галилея, члена Академии деи Линчеи, благородного флорентийца», написанных его учеником, рассказывается о том, как Галилей изучал колебания, наблюдая за раскачиванием тяжелой лампады на подвесе в Пизанском соборе. Временные интервалы Галилей измерял по биению собственного пульса. На этой основе он изобрел хронометр, но сделать его не успел. Эти работы продолжил Христиан Гюйгенс, который провел подробные математические исследования и вывел формулу маятника, вошедшую во все учебники физики. Подобные колебания совершает и масса на упругом подвесе – так называемый «пружинный маятник». В нем кинетическая энергия движущейся массы и потенциальная энергия упругой пружины обмениваются между собой по колебательному закону. Есть много других, похожих случаев, но все это механические колебания.

Колебания в электрических цепях были исследованы позже. В цепях постоянного тока, которыми занимался Г. Ом (см. выше), колебания возникнуть не могли.

Поэтому перенесемся на берега туманного Альбиона в иную лабораторию: к Майклу Фарадею. Здесь весной 1837 г. Чарльз Уитстон – изобретатель «мостовой схемы» – пытался получить искру от термопары. Один спай термопары находился в раскаленной до красна печке, а другой – внутри куска льда. Уитстон безуспешно соединял и разъединял два отходящих провода – искры не было.

Тогда Майкл Фарадей, заявив, что Уитстон все делает не так, провел эксперименты по-своему. Но и ему не повезло – искры по-прежнему не было. И тогда-то третий ученый – американец, приехавший в Англию, взялся довести эксперимент до победного конца. Он быстро намотал провод плотной спиралью на палец, снял спираль с пальца и внутрь ее вставил железный стержень. Благо этого добра в лаборатории Фарадея было предостаточно. Затем он соединил эту спираль с одним из проводов, отходящих от термопары, и заявил, что как только уважаемым коллегам будет угодно, он получит желанную искру. И действительно, все отчетливо увидели искру. Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул: «Ура, эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?»». И Джозефу Генри, а это был именно он, пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который всему миру уже был известен как человек, который открыл электромагнитную индукцию.

Катушка индуктивности может сосредотачивать в себе магнитную энергию, а конденсатор – электрическую. Если их соединить между собой, то они могут обмениваться энергией благодаря ее взаимным превращениям, и возможны электромагнитные колебания, аналогичные механическим. Теперь-то до электромагнитных колебаний всего один шаг. Сделаем еще один экскурс в историю.

Уильям Томсон, более известный как знаменитый лорд Кельвин, по введенной им абсолютной шкале температур, в 1853 г. опубликовал работу «О преходящих электрических токах». В этой работе математически исследовалась зависимость разряда заряженного металлического шарика через тонкую проволочку на землю. Томсон рассматривает апериодические (т. е. непериодические) колебания в этой цепи в зависимости от ее параметров: емкости С, индуктивности L и активного сопротивления R. Идеальный случай (когда активное сопротивление R = 0) он не рассматривает, но именно этот случай дает знаменитую формулу для периода свободных колебаний, названную позже формулой Томсона:

«Томсоновским» назвали, также простейший LC-контур, хотя на самом-то деле у него он был всего лишь шариком с проволочкой.

Частота электромагнитных колебаний f и колебаний, распространяющихся в пространстве – электромагнитных волн обратно пропорциональна их периоду

Если принять скорость распространения радиоволн в свободном пространстве равной скорости света с = 3·10⁸ м/с, то не трудно пересчитать частоту f в длину волны λ = c/f, или наоборот,

При проведении этих расчетов надо внимательно следить за применяемыми единицами измерений. Помимо «обычной» частоты, измеряемой в герцах (Гц, Hz), используется также и круговая или циклическая частота

Попробуем дать примерные оценки того, на какую частоту был настроен колебательный контур Томсона в его исторических опытах. Для этого примем, что шар-конденсатор имел диаметр 10 см, а провод имел длину 1 м (сопротивлением пренебрежем). Так вот, в XIX веке единицам измерений еще не давали имен ученых, и в области электростатики была система единиц, по которой емкость измерялась в сантиметрах. Соответственно, в области магнетизма была система единиц, по которой индуктивность также измерялась в сантиметрах. Поэтому в отсутствие диэлектриков и намагничивающихся тел оценки этих параметров можно проводить непосредственно по их геометрическим размерам.

При пересчете на современные единицы 1 сантиметр емкости примерно равен 1 пикофараде, а 1 сантиметр индуктивности 1 наногенри. Таким образом, в приводимом примере L ~= 100 см = 100 нГн = 10^-7 Гн; С ~= 10 см = 10 пФ = 10^-11 Ф. Отсюда, по формуле Томсона, период ~= 2·10 ^-8 с и частота, как обратная величина, составит 5·10^-7 Гц = 50 МГц. Значит, если бы во времена Томсона-Кельвина существовало бы радиовещание, то Лорд, став радиолюбителем и используя свой контур в соответствующем радиоприемнике, мог бы наслаждаться приемом станций УКВ диапазона.

Моделирование колебательных контуров

В компьютерной программе EWB открываем панель  Basic (основные компоненты) и выводим на рабочее поле элементы: индуктивный L1 и емкостной С1. Соединив эти элементы последовательно, образуем последовательный колебательный контур. Возбуждение колебаний в контуре будем проводить от генератора синусоидальных колебаний.

Открыв в программе EWB группу Source (источники) , выберем в ней по пиктограмме  AC Voltage Source (источник переменного напряжения). Для этого источника можно провести необходимую установку параметров (амплитуды, частоты и начальной фазы). Здесь (рис. 66) для источника Е1 выбрана амплитуда 1 В, частота 50 Гц и начальная фаза 0°.

Рис. 66. Окно установки параметров генератора в EWB

Основными характеристиками контура являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ). Для получения этих характеристик в программе EWB предусмотрен специальный виртуальный прибор: Боде-плоттер.

Соберем схему согласно рис. 67. Исследуемый контур L1C1 подключен к генератору Е1.

Рис. 67. Модель последовательного колебательного контура в EWB

Боде-плоттер выбирается в группе Instruments (инструменты) по пиктограмме . Вход плоттера IN на условном графическом изображении прибора  надо соединить со входом контура, а его выход OUT с источником выходного сигнала (подсобного измерительного резистора R1, вносящего небольшие потери). Для получения частотных характеристик после сборки схемы необходимо вызвать изображение лицевой панели, дважды щелкнув ЛКМ по условному графическому изображению прибора.

По умолчанию, в появившемся полном изображении лицевой панели прибора (см. рис. 68), кнопки (амплитуда) и (логарифмический масштаб) находятся в «утопленном» положении. Для наблюдения АЧХ надо лишь в вертикальной и горизонтальной развертках произвести установки диапазонов моделирования по амплитуде и частоте F (от First – начальное значение) и I (от In – конечное значение), а затем нажать на кнопку, включающую моделирование.

Рис. 68. АЧХ последовательного колебательного контура в EWB

При проведении моделирования частота входного возбуждающего колебания генератора «свиппируется» (последовательно изменяется) в выбранном диапазоне программным путем автоматически.

Далее для наблюдения ФЧХ надо «утопить» кнопку  (фаза) и аналогично предыдущему установить начальное F и конечное I значение фазы, а затем включить моделирование. В результате на экране виртуального схемного прибора получаем вначале АЧХ, а затем ФЧХ (рис. 69).

Рис. 69. ФЧХ последовательного колебательного контура в EWB

Для проведения количественных измерений на этих графиках можно воспользоваться вертикальной визирной линией, перемещаемой из левой части экрана курсором или кнопками с изображением стрелок , находящимися на лицевой панели виртуального схемного Боде-плоттера. Соответствующие отсчеты в цифровой форме для точки пересечения визира с линией графика возникают в нижних окошках лицевой панели прибора (рис. 68, 69).

Программа EWB позволяет получить частотные характеристики, сведенными на один экран. Для этого, после установки диапазонов и проведения моделирования, надо нажать на пиктограмму  Display Graphs (график на дисплее). В результате получатся графики резонансной АЧХ (рис. 70), где Gain – коэффициент усиления, выраженный в децибелах, и ФЧХ (рис. 70), где ^Phase – фазовый угол, выраженный в градусах (Degrees).

Рис. 70. АЧХ и ФЧХ последовательного колебательного контура в EWB

В верхней части панели Analysis Graphs имеется набор инструментов для редактирования полученных графиков.

«Пересоединив» катушку и конденсатор, получим параллельный контур (рис. 71).

Рис. 71. Модель параллельного колебательного контура в EWB

Дадим команды на моделирование, аналогично предыдущему случаю, и получим АЧХ и ФЧХ (рис. 72), обратные предыдущим.

Рис. 72. АЧХ и ФЧХ параллельного колебательного контура в EWB

По АЧХ не трудно определить собственную (резонансную) частоту и добротность контура; изменяя параметры элементов контура, можно проследить за изменениями этих характеристик.

Моделирование контура радиоприемника Мастер КИТ NK105

Радиоприемник работает в диапазонах длинных, средних или коротких волн с хорошим качеством звучания и выходной мощностью до 1 Вт. Напряжение питания устройства 9 В. Размеры печатной платы: 38x32 мм. Внешний вид радиоприемника показан на рис. 73. Принципиальная электрическая схема радиоприемника показана на рис. 74.

Рис. 73. Внешний вид радиоприемника Мастер КИТ NK105

Рис. 74. Принципиальная схема радиоприемника Мастер КИТ NK105

Это детекторный радиоприемник прямого усиления сигналов с AM. Нас в нем интересует сейчас входной контур, образованный катушкой на ферритовом стержне с индуктивностью L и конденсатором С2 = 120 pF.

Конденсатор С1 = 1.5 nF служит для емкостной связи с внешней антенной.

Антенна (см. рис. 73) представляет собой ферритовый стержень (диаметром 10x60 мм), на котором размещается подвижная бумажная гильза с контурной катушкой. В зависимости от выбранного диапазона катушка имеет следующее число витков: 10 для КВ, 64 – СВ и 110 – ДВ. Приемник в простейшем варианте является однодиапазонным и однопрограммным.

Настройка на конкретную станцию осуществляется по максимальной громкости приема поворотами антенны в горизонтальной плоскости и перемещениями катушки вдоль стержня. После получения приемлемого результата катушка фиксируется скотчем. Впоследствии приемник может быть доработан введением регулировочного конденсатора и переключателя диапазонов.

Виртуальная модель исследования входного контура в программе EWB показана на рис. 75, а.

Рис. 75. Модель исследования входного контура радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB:

_{а – схема; б – АЧХ}

В схеме, прилагаемой к набору, параметр L не известен. Для его определения есть несколько вариантов. Можно рассчитать индуктивность предварительно зная число витков, геометрические размеры и магнитную проницаемость стержня или по формуле Томсона, задавшись частотой и зная емкость С2. Экспериментально можно определить индуктивность следующим образом. Параллельно ей включается предварительно отградуированный конденсатор переменной емкости C = var. Берется другой радиоприемник, работающий на внешнюю антенну, и точно настраивается на определенную радиостанцию. После этого между антенной и работающим радиоприемником включается контур LC. Варьируя емкость С этого контура, добиваются минимального звучания принимаемой радиостанции. Поскольку АЧХ исследуемого контура будет аналогична ранее приведенной на рис. 72, т. е. он будет работать как фильтр-пробка, то дальнейшим расчетом нетрудно определить искомую индуктивность.

Проведение этих «увлекательных» процедур оставим пытливым читателям. Мы же выберем для моделирования настройку на радиостанцию «Маяк» в СВ-диапазоне, соответственно 546,4 м или 549 кГц. По этой частоте и емкости С2 прикидываем, что величина индуктивности составит порядка 0,7 мГн. Поэтому в виртуальной модели выбираем регулируемую индуктивность с запасом – 1 мГн. Дополнительный резистор R1 позволяет в этой схеме включения выявить резонансную частоту контура. Полученный результат показан на рис. 75, б.

Два Робинзона

…Нам, советским читателям, многое чуждо в Робинзоне. Был он купцом, и, как все купцы, заботился о собственной выгоде.

К. Чуковский. Предисловие к книге: Д. Дефо. «Робинзон Крузо»

Радиоприем на «картофелину»

Первый Робинзон – отчаянный радиолюбитель, а не купец – попал на необитаемый остров и у него случайно (как рояль в кустах) оказались головные телефоны от плеера, какой-то диод да моток провода. Пошарив вокруг, Робинзон наткнулся на крупную картофелину. Из кармана он извлек перочинный нож и пачку сигарет (запрет Минздрава на острове не действовал). Картофелину можно бы съесть, но жить без радио, не зная прогноза погоды, последних известий и результатов чемпионата… Робинзон вспомнил, что в книге С. А. Шабалина видел простейший радиоприемник из картофелины (рис. 76).

Рис. 76. Радиоприемник из картофелины

Он разрезал картофелину пополам, оторвал от сигарет целлофановую пленку Ц и вставил ее между половинками. Затем шнурком Ш от ботинок связал картофелину. Воткнул в нее диод Д из проволоки сделал антенну А, затем заземление 3. Приспособил телефоны Тлф, и вот, что-то зашипело и заговорило. Забросил антенну повыше, заземление воткнул в песок, омываемый водой, так как радиатора парового отопления рядом не оказалось. Попытался поменять положения контактов, удовлетворил свое любопытство и заснул, а когда проснулся, картофелины не нашел.

Попробуем смоделировать этот «картофельный радиоприемник». В программе EWB соберем схему из двухполюсных элементов с сосредоточенными постоянными. Прямо скажем, что это задача не из легких и, очевидно, не имеет однозначного решения.

Потому сделаем некоторую простейшую прикидку, глядя на рис. 76 и заменяя показанные там элементы реальной цепи их простейшими моделями.

Радиостанцию (Radio Transmitter), которую собирается «поймать» Робинзон, смоделируем специальным амплитудномодулированным источником AM Source со следующими характеристиками: частота несущей взята условно – 200 кГц; частота модуляции – 500 Гц; глубина модуляции – 100 %; напряжение, развиваемое на антенне, – 100 мВ (все цифры взяты условно для удобства моделирования). Задавшись примерными параметрами устройства, получим схему, представленную на рис. 77.

Рис. 77. Модель радиоприемника из картофелины в EWB

Для наблюдения результата используем двухканальный виртуальный осциллоскоп (вот бы его, да Робинзону!). Выполнив соответствующие установки режимов развертки, получаем картину (см. рис. 78) амплитудно-модулированных колебаний (канал – А) и частично «отдетектированного» сигнала (канал – В).

Рис. 78. Осциллограммы сигналов в модели радиоприемника из картофелины в EWB

Возможно, кто-либо придумает более удачную модель, тем более что картофелину можно заменить другим овощем или, если не жалко – заморским фруктом, например, бананом. Пожелаем успехов уважаемым «Радио-Робинзонам».

Радиоприемник Мастер КИТ NK105

Второй Робинзон был ближе к купцу, а точнее, – к современным деловым людям. Прежде чем оказаться на том самом необитаемом острове, он оплатил по электронной почте отправление туда электронных наборов Мастер КИТ и необходимого инструмента. Так что когда с ним приключилось кораблекрушение, он оказался во всеоружии. Как только обсох, распаковал набор Мастер КИТ NK105 и принялся собирать радиоприемник согласно приложенной инструкции.

Схема радиоприемника, выполненная в программе EWB с некоторыми изменениями относительно первоисточника из-за специфики моделирования, показана на рис. 79.

Рис. 79. Модель радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB

Здесь элементы, позиционные обозначения которых даны заглавными буквами, соответствуют исходному набору. Микросхема (IC) в виртуальной модели выбрана в виде идеального ОУ, поэтому на виртуальной схеме отсутствует источник питания.

Это, конечно, не «супер» (в смысле не «супергетеродин»), а детекторный радиоприемник прямого усиления, но и не картофелина! Воображаемая радиостанция – та же. Результат показан в виде осциллограмм на рис. 80.

Рис. 80. Осциллограммы сигналов в модели радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB

С этим радиоприемником Робинзон не расставался, пока не сделал из другого набора Мастер КИТ радиопередатчик, по которому сообщил своим друзьям-радиолюбителям, где он находится.

Разумеется – Happy End – его спасли, но в мире были и другие страдающие…

SOS SOS SOS

Спасите наши души!

Спешите к нам!

Услышьте нас на суше -

Наш SOS все глуше, глуше…

В. Высоцкий

Морские просторы бывают не только такими прекрасными и романтичными, как они выглядят на отдыхе или в путешествиях, но и трагически жестокими. История человечества – это во многом и история его борьбы с морской стихией: число ее жертв, из-за рокового стечения обстоятельств или халатности в море, слишком велико. Человеческое сообщество по мере своего развития старается уменьшить гибель людей и судов с грузами. В первую очередь совершенствуются конструкции судов и их эксплуатация. Кроме того, развиваются системы оказания своевременной помощи. Здесь на первом месте стоят способы и устройства сигнализации.

Сигналы бедствия означают, что судно и люди на нем подвергаются опасности гибели и нуждаются в помощи. Для призыва на помощь издавна использовали все доступные средства: пушечные выстрелы и взрывы с интервалом в 1 мин, зажигаемые смоляные бочки, сигнальные ракеты, звуковые сигналы и т. п. Конечно же, как только появилось радио, люди сразу же прибегли к его применению. Безусловно, радиосвязь оказалась наиболее быстро– и дальнодействующим сигнальным средством: немало жизней было спасено незамысловатым и тревожно прорвавшимся сквозь трески в эфире радио сигналом бедствия: SOS, SOS, SOS…

Обычно считают, что этот сигнал является аббревиатурой от английской фразы: «Save Our Souls», что в переводе означает «Спасите наши души». Однако это не так, – указывает известный знаток морского дела Л. Скрягин.

В начале прошлого века многие радиограммы, извещавшие о бедствии, не были унифицированы. Пользовались различными сигналами, но на большом числе судов стояли радиостанции фирмы Маркони, а для них был принят сигнал CQD. Прежде этот сигнал использовался на железных дорогах и в береговой службе Америки; он был образован от сигнала общего вызова всех станций СО добавлением к нему D (от Danger – опасность). Получившуюся аббревиатуру расшифровывали как «Come Quick Danger» – «Идите быстрее, опасность».

На Первой международной радиотелеграфной конференции, состоявшейся в Берлине в 1903 г., было предложено для судов, терпящих бедствие, установить специальный радиотелеграфный сигнал SSSDDD, передаваемый кодом Морзе. Решение принято не было, и в 1906 г. там же состоялась вторая конференция. На ней подвергся критике сигнал CQD, так как его часто путали с сигналом общего вызова всех станций СО. Поступило предложение принять в качестве международного сигнала бедствия сигнал SOE, которым пользовались суда, оснащенные радиотелеграфами немецкой фирмы «Слаби-Арко». Однако этот сигнал имел существенный недостаток: последняя его буква «Е», передаваемая одной точкой, при перегруженном эфире и помехах могла бы просто пропасть. Решили букву «Е» заменить буквой «S». Так родилось спасительное «SOS».

После опубликования этих решений моряки различных стран придумали несколько вариантов его мнемонической формы: «Save Our Souls» («Спасите наши души»); «Save Our Ship» («Спасите наше судно»); «Send Our Succour» («Пошлите нам помощь») и др.

В русском языке к произносимому «СОС» придумали фразу: «Спасите От Смерти».

Ввиду распространенности аппаратуры Маркони и привычек телеграфистов, в ходу оказались два сигнала бедствия. В трагическую ночь 15 апреля 1912 г. в 0 ч 45 мин старший радист гибнувшего «Титаника» Филипс вначале передал по радио сигнал бедствия и позывные судна в виде: «CQD CQD CQD MGY». Однако его помощник Брайд посоветовал: «Передай теперь SOS, это новый сигнал, и, может быть, тебе больше никогда не придется его посыпать». Сегодня нам известно двоякое поведение радистов «Титаника» при катастрофе: халатность до нее и самоотверженность во время трагедии. Теперь все это стало достоянием истории.

Широкий общественный резонанс, пестрящие заголовки газет всего мира со словами «Титаник» и «SOS» привели к тому, что они стали почти синонимами. Сигнал CQD ушел в небытие. Трагедия «Титаника» подтолкнула человечество к дальнейшему развитию радио и гидролокации.

Суда стали оборудовать аварийными автоматическими передатчиками и приемниками, работающими на единой «аварийной волне» 600 м и так называемой международной «частоте бедствия» 500 кГц. Три буквы «SOS» вошли в общий сигнал бедствия как основа, наряду с указанием позывных судна, его координат и служебных посылок, приводящих в действие аварийные системы.

Для радиолюбительской связи также выделены специальные частотные диапазоны. Ниже указаны некоторые любительские диапазоны:

160-метровый (1,8…2,0 МГц),

80-метровый (3,5…3,8 МГц),

40-метровый (7…7,1 МГц),

30-метровый (только телеграф 10,1…10,15 МГц),

20-метровый (14…14,35 МГц),

16-метровый (18,068…18,318 МГц),

15-метровый (21…21,4…5 МГц),

12-метровый (24,89…25,14 МГц),

10-метровый (28…29,7 МГц).

Основная масса радиолюбителей мира работает телеграфом, используя амплитудную манипуляцию незатухающих радиосигналов телеграфным кодом CW (азбукой Морзе), либо телефоном с однополосной модуляцией SSB. По мере развития компьютеров растет использование цифровых видов связи: радиолюбительский телетайп RTTY, модернизированный телетайп AMTOR, пакетная связь и т. п.

Надо сказать, что амплитудная модуляция (AM) на всех диапазонах встречается относительно редко: ее вытеснила более совершенная однополосная. Телеграф «дальнобойнее», так как слабые телеграфные сигналы легче принимать в условиях помех. Кроме того, «телеграфисту» не обязательно знать иностранный язык. Однако, чтобы работать телеграфом, надо уметь принимать на слух и передавать ключом знаки азбуки Морзе.

Рассмотрим принцип осуществления радиотелеграфии, составив условную модель передающей и приемной систем в программе EWB.

Моделирование радиотелеграфа

Для формирования модели примем, что используется код Морзе, когда знаки кодируются набором коротких (точки) и длинных (тире) посылок, разделенных паузами. В телеграфном коде длительность посылки для точки меньше, чем для тире в три раза.

Пауза между посылками (точками и тире) в букве равна длительности одной точки, между буквами – трем точкам, а между словами – семи точкам. Обычно при ручной телеграфии передается до 20 стандартных слов в минуту. Стандартным словом согласно международным договоренностям является «Париж». Это пятибуквенное слово, при написании в латинице «Paris», содержит в телеграфном коде 48 элементарных посылок. Отсюда длительность посылок составляет примерно 0,05 с.

На время передачи сигналов замыкают и размыкают телеграфный ключ передатчика и с помощью манипулятора получают импульсы постоянного напряжения, длительность которых и их передача во времени соответствуют принятой кодировке. Эти импульсы служат управляющим сигналом при модуляции колебаний несущей частоты, полученной в задающем радиочастотном генераторе. На выходе усилителя мощности ВЧ, т. е. в передающей антенне, радиосигнал принимает форму радиоимпульсов. Они представляют собой колебания ВЧ, имеющие огибающую в виде управляющих импульсов.

Для наглядного представления работы модели выберем для передачи какой-либо простой сигнал. Есть много интересных сигналов. Например англичане на ВВС (Би-Би-Си), во время Второй мировой войны начинали некоторые передачи не звуками Биг-Бена, а вступлением к знаменитой Пятой симфонии Бетховена: «ТА-ТА-ТА, ТА-А-АМММ». Эти – «три точки, тире», в переводе с кода Морзе, означают латинскую букву «V», символ победы «Victory». Композитор и не подозревал, что его «симфония Судьбы», начинающаяся, по словам Гете, как бы энергичным стуком Судьбы в дверь, получит такое прочтение в музыке морзянки.

Применительно к радиолюбительству уместнее начать с общего вызова «СQ CQ CQ». Это призыв к радиообмену: «Всем Всем Всем», принятый радиолюбителями, работающими на CW (телеграф на радиолюбительском жаргоне).

Примем в качестве частоты «несущей» 135,75 кГц, лежащую в длинноволновом диапазоне 135,7…136,8 кГц, разрешенном к использованию радиолюбителями. (Моделирование в КВ-диапазонах приводит к трудностям работы программы, и даже с принятой частотой результаты будут наблюдаться не в «реальном времени», а с большим замедлением.)

Во-первых, соберем простейший радиочастотный генератор, на транзисторе VT1 (рис. 81).

Рис. 81. Радиочастотный генератор

Генератор собран по одной из популярных схем «трехточки» Колпитца (Colpitts Oscilator), являющейся автогенератором с емкостной обратной связью. Колебательный контур L1-C2-C здесь соединен с усилительным элементом транзистором в трех точках: отсюда – название, аналогично соединяют контур и с генераторной лампой. Для расчета резонанса в этом параллельном контуре надо в формуле Томсона (см. выше) подставлять емкость в виде СхС2/(С+С2). Конденсатор С2 формирует на базе сигнал обратной связи и от его выбора по отношению к С зависит выполнение условий самовозбуждения в системе. Сделав предварительные прикидки, дальнейший подбор можно провести, экспериментируя с моделью. Для этого в верхней части схемы на рис. 81 собрана цепь с источником переменного напряжения Е2, подключаемого через ключ [В] ко входу контура и зажиму IN Боде-плоттера. Выходной сигнал с контура через конденсатор связи С3 подается на зажим OUT плоттера и вход А осциллоскопа. Держа ключ питания генератора [Space] разомкнутым, а ключ (В) замкнутым, получаем АЧХ контура (рис. 82).

Рис. 82. АЧХ генератора

Варьируя емкость [С], добиваемся совмещения резонансного пика с требуемой частотой.

После этого выключаем ключ [В] и переходим к наблюдению работы генератора на осциллоскопе (рис. 83, а), включив ключ [Space).

Рис. 83. Осциллограммы сигналов радиочастотного генератора:

_{а – непрерывная генерация; б – телеграфная модуляция}

Увеличив длительность развертки с 2 мкс/дел до 0,2 мс/дел, и включая и отключая питание генератора ключом [Space], получим аналог телеграфного манипулирования ключом в виде радиоимпульсов определенной длительности и промежутком между ними (рис. 83, б). Нарастание и спад колебаний (переходные процессы в автогенераторе) определяются добротностью контура и в модели, чтобы их уменьшить, контур «загрублен» резистором R2.

Дополнительно следует отметить «не задокументированные» эффекты в работе программы: включение двух источников Е1 и Е2 в зависимости от величины R2 и характера Е2 приводит к изменению условий самовозбуждения, срывам генерации, увеличению или уменьшению показаний амплитуды резонансного пика на Боде-плоттере и т. п.

Являются ли эффекты, наблюдаемые при моделировании самовозбуждения, компьютерными артефактами («искусственно сделанный») или проявляются и в реальных автогенераторах, не проверялось. Да и схемы реальных модуляторов гораздо сложнее, например, в биполярных транзисторах модулируют ток базы или цепь коллектора с помощью специального модулирующего трансформатора. Вообще же, полученная картина показывает лишь принцип: работать с клавишей вместо телеграфного ключа – это все равно, что использовать для этих целей звонковую кнопку. Поэтому в дальнейших моделях придумаем что-нибудь поостроумнее.

Поскольку мы работаем на ПК, то создадим виртуальный сильно упрощенный вариант «эхо-репитера» (комплекс аппаратов, позволяющий записывать и передавать информацию в эфир), иллюстрирующий идею амплитудной телеграфии.

Для исследования репитера соберем схему (рис. 84, а), в которой в качестве электронного ключа будем использовать генератор цифровых слов WG (Word Generator). Этот прибор выбирается в панели Instruments по его пиктограмме

Рис. 84. Генерирование телеграфного радиосигнала:

_{а – схема виртуального передатчика; б – программирование генератора слов; в – окно редактирования перемножителя сигналов; г – осциллограммы сигналов}

После двойного щелчка ЛКМ по схемному изображению генератора WG (рис. 84, а) откроется его лицевая панель с установочными и управляющими кнопками (рис. 84, б). На выходах генератора можно получить коды шестнадцатиразрядных двоичных слов, выбираемых на пользовательской панели.

Для набора слова надо щелкнуть ЛКМ в соответствующем разряде экранного буфера (заполненного нулями) и набрать с клавиатуры соответствующую цифру 0 или 1, стоящую в данном разряде. Дальше, как при печати таблиц, лучше пользоваться клавиатурой. Все комбинации задаются в шестнадцатеричном коде. Номер редактируемой ячейки показывается в окошке Edit блока Address, при этом верхняя ячейка всегда считается нулевой.

Следующее окошко Current показывает номер текущей ячейки, кодовая комбинация с которой в данный момент поступает на выход генератора. В окошках Initial и Final указываются соответственно номер начальной и конечной ячеек, в которые заносится информация. В схемном компоненте WG (рис. 84, а) этим показаниям соответствуют уровни напряжения на 16 нижних выводах. С этих выводов поразрядные сигналы по подключенным к ним проводам (шине) подаются на соответствующие цифровые узлы.

Для записи нашего сообщения достаточно кодировать единицами и нулями лишь младшие разряды и выходной сигнал также снимать только с самого младшего разряда. Генератор может работать с заданной тактовой частотой при нажатии на кнопку Cycle. Частота следования тактов задается на лицевой панели в окошке Frequency (с учетом единиц измерения Hz, kHz, MHz).

Одно слово вызова CQ, если принять за элементарную посылку один бит (0 или 1) с учетом принятой кодировки букв и интервалов, запишется по ячейкам в младших разрядах следующим образом:

Первый 0 к сообщению не относится, оно начинается с трех единиц подряд, соответствующих тире. Финальной ячейкой является 32, что показано цифрой 20 в шестнадцатеричном коде. Частота посылок выбрана 20 Hz (случайное совпадение цифровой записи, не имеющее какого-либо смысла) как обратная величина оговоренной ранее минимальной длительности точки, равной 0,05 с.