Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 26 (всего у книги 29 страниц)

Как осуществляется преобразование частоты?

Преобразование частоты осуществляется с помощью нелинейного элемента, например диода, электронной лампы, транзистора и т. п., а также вспомогательного сигнала высокой частоты с относительно большой амплитудой, подводимого от местного генератора.

Существует множество схемных решений, которые можно разделить на две группы. Если смесительный элемент и гетеродин представляют собой независимые схемы, то первая из них называется смесителем. Если одна лампа, обычно многосеточная, или транзистор выполняют одновременно функции гетеродина и смесительного элемента, то схема называется автодинным каскадом преобразования или смесителем.

Примером преобразовательного каскада служит транзисторная схема на рис. 11.25, которая генерирует колебания с частотой f_гет(элементы генератора: L₁, L₂, С₂). В цепь базы подводится сигнал с частотой f_с. Из-за процесса преобразования, происходящего в цепи базы, возникает сигнал промежуточной частоты f_гет  – f_с. Схема одновременно является предварительным усилителем сигнала промежуточной частоты, поскольку контуры L₃ и L₄ настроены именно на эту частоту. При таком подходе усиление схемы называется усилением преобразования.

Рис. 11.25. Транзисторная схема преобразования частоты

Что такое автоматическая регулировка частоты?

Автоматическая регулировка частоты (АРЧ) является одним из методов стабилизации частоты генераторов. Схемы АРЧ применяются в радиоприемниках или телевизорах высшего класса для стабилизации частоты гетеродина. Благодаря этим схемам происходит автоматическое поддержание правильной настройки приемника на несущую частоту принимаемого сигнала.

Структурная схема АРЧ представлена на рис. 11.26.

Рис. 11.26. Структурная схема цепи автоматической регулировки частоты

Из-за колебаний напряжения питания, изменений температуры и т. п. частота генератора не постоянна, а подвергается некоторым изменениям, что проявляется в виде частотно-модулированного сигнала, а следовательно, и в сигнале промежуточной частоты, полученного в результате преобразования. На выходе усилителя промежуточной частоты (перед детекторным каскадом) помещают узкополосный резонансный контур, настроенный на промежуточную частоту. Ширина полосы контура достаточна для пропускания изменений частоты гетеродина. Выходное напряжение контура управляет дискриминатором ошибки. Если частота генератора имеет соответствующее номинальное значение, то выходное напряжение дискриминатора равно нулю. Если генератор отстроится от номинальной частоты, на нагрузке дискриминатора появится напряжение. Это напряжение будет положительным или отрицательным в зависимости от направления изменения частоты генератора. После тщательной отфильтровки выходное напряжение дискриминатора добавляется или вычитается из напряжения смещения реактивного контура (например, на емкостном диоде). Изменение напряжения смещения на реактивном контуре вызывает изменение вносимой емкости и в результате, поскольку реактивный контур подключен параллельно контуру генератора, подстройку частоты генератора в направлении ее номинального значения.

Каковы основные черты импульсной модуляции?

В системах с импульсной модуляцией используется тот факт, что для передачи информации не обязательно передавать ее непрерывно. Первым процессом в системах с импульсной модуляцией является генерация несущего колебания в виде последовательности периодически повторяющихся импульсов. Частота, с которой повторяются импульсы, называемая частотой дискретизации, должна быть достаточно высокой и зависеть от полосы передаваемого информационного сигнала. Обычно она в 2 раза больше наибольшей частотной составляющей информации. Полученная импульсная последовательность используется для созданий импульсов, на которые наложена передаваемая информация. Наложение информации на импульсную последовательность производится в схемах модуляции.

Самой важной чертой импульсной модуляции является временная дискретизация (временнóе квантование), заключающаяся в замене непрерывного временного колебания, например акустического, последовательностью дискретных значений (отсчетов) этого колебания, действующих в определенные отрезки времени. При передаче сигнала с импульсной модуляцией по радиоканалу импульсы, содержащие информацию о модулирующем сигнале, модулируют передатчик высокой частоты по амплитуде или частоте. В результате имеет место двухтактная модуляция.

Какие существуют виды импульсной модуляции?

Импульсы характеризуются многими параметрами: амплитудой, временным положением, длительностью, частотой и т. п. Благодаря этому имеется возможность применения многих видов импульсной модуляции. К наиболее часто встречаемым относится модуляция амплитуды, длительности или ширины импульсов, модуляция положения импульсов и импульсно-кодовая модуляция.

На рис. 11.27 представлены колебания, соответствующие различным видам импульсной модуляции.

Рис. 11.27. Методы импульсной модуляции:

_{а – модулирующий сигнал; б – модуляция амплитуды импульса; в – модуляция ширины импульса; г – модуляция положения импульса; д – кодовая модуляция}

При амплитудно-импульсной модуляции в каждый момент дискретизации амплитуда импульса пропорциональна мгновенной амплитуде модулирующего сигнала. При широтно-импульсной модуляции импульсы имеют постоянную амплитуду, но их ширина (длительность) пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала в момент дискретизации. Для получения изменения ширины импульсов можно сдвигать во времени передний или задний фронт либо оба фронта одновременно. Если средняя ширина импульса составляет 5 мкс, то в процессе модуляции она может меняться от 1 до 9 мкс.

При модуляции положения импульсов их положение изменяется вблизи среднего значения. Сдвиг соответствует амплитуде сигнала в момент дискретизации. Два последних вида модуляции относятся к системе временной модуляции импульсов.

Импульсно-кодовая модуляция имеет наилучшие показатели. Эта модуляция основывается на одновременном использовании принципа дискретизации, временного квантования и кодирования. Квантование – это процесс, в котором модулирующий сигнал с непрерывно меняющейся амплитудой заменяется дискретным – ступенчатым сигналом с заранее заданным числом уровней. Это означает, что импульсам, амплитуда которых лежит в определенном интервале, называемом шагом квантования, соответствует один общий уровень.

Кодирование заключается в том, что отдельным уровням квантованного сигнала приписывается соответствующий кодовый символ. На практике кодовая модуляция осуществляется с помощью цифровых кодов, чаще всего двоичных. Например, четырехбитовый (разрядный) двоичный код позволяет принять 2⁴, т. е. 16, амплитудных уровней от 0 до 15.

Если группы импульсов, полученные в результате импульсно-кодовой модуляции, снова преобразовать в сигнал, то возникает некоторое расхождение между воспроизведенным сигналом и первоначальным. Это расхождение, называемое шумами квантования, уменьшается с ростом числа уровней квантования.

Из упомянутых видов импульсной модуляции реже всего используется амплитудно-импульсная из-за невыгодных шумовых свойств. Наибольшее значение в связи с развитием цифровой техники имеет импульсно-кодовая модуляция.

На чем основана система группообразования каналов?

Система группообразования (объединения и разделения) основана на одновременной передаче более чем одного сообщения на общей несущей частоте. Известны два метода группообразования – частотный и временной.

При частотном группообразовании каждому частотному каналу приписывается другая поднесущая частота. Каждое сообщение модулирует поднесущую. Модулированные поднесущие, суммированные соответствующим способом, модулируют затем высокочастотную несущую.

При временном группообразовании используется тот факт, что в системах с импульсной модуляцией длительность импульсов очень мала по сравнению с периодом дискретизации, т. е. имеется возможность размещения между импульсами, соответствующими одному сообщению, импульсов других сообщений. Это требует применения соответствующих коммутационных устройств. Последовательностью импульсов, представляющей много информационных каналов, модулируется затем высокочастотный передатчик.

Глава 12
ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА

Что такое цифровая техника?

Это отрасль техники (электроники), в которой сигналы, действующие в схемах, могут, как правило, иметь лишь два крайних (дискретных) уровня; высокий и низкий в отличие от аналоговых сигналов, которые имеют произвольные уровни и изменяются непрерывно (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Пример цифрового (а) и аналогового (б) сигналов:

_{1 – высокий уровень; 2 – низкий уровень}

Элементы схем (лампы, транзисторы, диоды) работают как электронные ключи и находятся в одном из двух крайних состояний: пропускания (включения) или запирания (выключения).

Главные достоинства цифровой техники: высокая надежность и очень высокая помехоустойчивость. Кроме того, «двухуровенность» сигналов часто исключает ошибки при передаче и воспроизведении информации, содержащейся в цифровом сигнале, поскольку распознавание двух крайних уровней сигнала является надежным даже при наличии больших искажений и помех.

Цифровая техника находит широкое применение в измерительных, устройствах, математических и вычислительных машинах, различных профессиональных электронных устройствах и все более широко в бытовой аппаратуре повседневного использования. Во многих случаях введение цифровой техники вместо аналоговой увеличивает надежность работы и точность (в частности, устраняется погрешность отсчета), упрощает конструкцию, уменьшает габаритные размеры и массу устройств, упрощает программирование, дает возможность регистрации информации. Используемые в цифровой технике схемы имеют также ряд преимуществ: их можно изготавливать в виде полупроводниковых интегральных микросхем.

Какая система счисления является основой цифровой техники и почему?

Основу цифровой техники образует двоичная система выражения цифр, называемая также бинарной системой, и связанный с ней математический аппарат, называемый булевой алгеброй.

В двоичной системе счисления любое число удается записать с помощью 1 или 0, например двоичное число 11101011 соответствует десятичному числу 235. Каждая позиция числа, записанного в двоичной системе счисления, представляет одно из двух состояний (1 или 0). В электронике имеются элементы (транзистор, лампа, диод), которые могут работать в двух состояниях: пропускания (включено) и непропускания (выключено). Например, цепь тока – состояние включения и состояние выключения, реле – состояние замыкания и состояние размыкания.

Относительно электрических сигналов двоичная система счисления также соответствует двум состояниям или двум уровням: высокому (более положительному) и низкому (менее положительному, нулевому или даже отрицательному). Если высокое состояние рассматривать как «1», а низкое как «0», то имеем так называемую положительную логику. При таком условии каждое из двух возможных состояний элемента или схемы условно обозначается следующим способом (рис. 12.2): состояние H (от англ. high—высокий) или 1 – да – элемент активный; состояние L (от англ. low – низкий) или 0 – нет – элемент пассивный. В случае отрицательной логики высоким уровням присваивается 0, а низким 1. В дальнейшем примем только положительную логику.

На практике невозможно осуществить такое условие, при котором все цифровые сигналы точно соответствуют одному из двух принятых уровней, и разрешаются некоторые допуски, так что следовало бы скорее говорить о двух интервалах, в которых находятся сигналы.

Рис. 12.2. Интерпретация уровней цифрового сигнала в положительной логике

Что такое двоичная система записи числа?

Объяснение двоичной системы проще всего провести сравнением с широко используемой в других областях десятичной системой.

Как известно, в десятичной системе для записи чисел используются десять цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Позиция (положение) каждой цифры в числе, записанном в десятичной системе, определяет ее значение, например цифра 3 в числе 235 определяет три десятка, т. е. 30, а цифра 3 в числе 2350 определяет три сотни, т. е. 300.

Для этих примеров можно записать:

235 = 2·10² + 3·10¹ + 5·10⁰;

2350 = 2·10³ + 3·10² + 5·10¹ + 0·10⁰.

Как легко заметить, в десятичной системе каждое число записывается как последовательность коэффициентов при последовательных степенях основания этой системы.

В двоичной системе основание равно двум и имеются только две цифры 1 и 0. Последовательность цифр в двоичной записи числа представляет собой коэффициенты при соответствующих степенях двойки.

Например, имеем:

0 = 0·2³ + 0·2² + 0·2¹ + 0·2⁰, т. е. 0000;

1 = 0·2³ + 0·2² + 0·2¹ + 1·2⁰, т. е. 0001;

2 = 0·2³ + 0·2² + 1·2¹ + 0·2⁰, т. е. 0010;

3 = 0·2³ + 0·2² + 1·2¹ + 1·2⁰, т. е. 0011;

4 = 0·2³ + 1·2² + 0·2¹ + 0·2⁰, т. е. 0100;

15 = 1·2³ + 1·2² + 1·2¹ + 1·2⁰, т. е. 1111;

235 = 1·2⁷ + 1·2⁶ + 1·2⁵ + 0·2⁴ + 1·2³ + 0·2² + 1·2¹ + 1·2⁰ = (128 + 64 + 32 + 0 + 8 + 0 + 2 + 1), т. е. 11101011.

Что такое двоично-десятичная система счисления?

Как видно из приведенных выше примеров, двоичная запись, образованная из четырех цифр, это четырехбитовая запись. Она позволяет записать лишь числа от 0 до 15 (2³ + 2² + 2¹ + 2⁰ = 8 + 4 + 2 + 1), и на этом ее емкость исчерпывается. В связи с этим в цифровой технике часто пользуются и другими двоичными системами, представляющими модификацию «чистой» системы, т. е. двоичной системы, обозначаемой обычно как 8421.

Часто применяется двоично-десятичный код. Он основан на том, что каждую цифру числа, записанного в десятичной системе, записывают отдельно с помощью четырех битов. Поясним это на примере числа 235 (табл. 12.1).

Достоинством двоично-десятичной системы является упрощение замены чисел, записанных в десятичной системе, числами, записанными в двоичной системе, и наоборот.

Какие основные действия над двоичными числами?

Очевидно, что действия с двоичными числами отличны от операций, которые выполняют с числами, записанными в десятичной системе. Они очень просты и легки для запоминания.

Сложение чисел, записанных в двоичной системе, выполняется в соответствии со следующим правилом (или иначе алгоритмом):

0 + 0 = 0;

0 + 1 = 1;

1 + 0 = 1;

1 + 1 = 0 с переносом единицы на следующую позицию влево.

Последний алгоритм имеет сходство со сложением в десятичной системе, когда результат сложения больше или равен 10,

Вычитание осуществляется согласно следующему алгоритму:

0 – 0 = 0;

0 – 1 = 1 и затем со следующей позиции (похоже на ситуацию в десятичной системе);

1 – 1 = 1;

1 – 1 = 0.

Умножение чисел в двоичной системе производится очень просто. Вместо большой таблицы умножения в десятичной системе в двоичной имеем маленькую и легкую для запоминания таблицу

0·0 = 0;

1·0 = 0;

0·1 = 0;

1·1 = 1.

Деление двоичных чисел обычно заменяется умножением, и при этом используются приведенные выше алгоритмы.

Что такое логические элементы?

Логическим элементом, или функтором, называется элемент, принимающий значения 0 и 1. В нем существует определенная логическая связь между входным и выходным сигналами. Связь между сигналами определяется логической функцией. Для математического описания логической функции используется булева алгебра.

Основными логическими операциями этой алгебры являются: отрицание, логическое умножение (конъюнкция), логическое сложение (дизъюнкция). Существуют и другие логические операции.

Что такое операция логического умножения?

Обозначим через х некоторое утверждение или состояние И примем, что если х истинно, то можно записать х = 1, а если х ложно, то х = 0. Введем еще одно утверждение или состояние у и также примем, что у = 1, если у истинно, и у = 0, если у ложно.

Основой логического умножения

z = х·у,

где z – логическое произведение, причем «·» означает именно логическую операцию, а не арифметическое действие, является анализ утверждения, что х и у истинны.

Рассмотрим четыре возможных случая:

Случай 1. Примем: х = 1; у = 1. Это означает, что х истинно, у истинно. Очевидно, утверждение «х и у истинны» также является истинным, что записываем следующим образом: z = х·у = 1.

Резюмируем, для х = 1 и у = 1 z = х·у = 1.

Случай 2. Примем: х = 1; у = 0. В этом случае сделанное утверждение z = х·у ложно, т. е. z = х·у = 0.

Резюмируем: для х = 1 и у = 0 z = х·у = 0.

Случай 3. Примем: х = 0; у = 1. В этом случае утверждение z = х·у ложно, как в случае 2, и можем записать для х = 0 и у = 0 z = х·у = 0.

Случай 4. Примем: х = 0; у = 0, и тогда z = х·у = 0, Рассмотренные случаи можем cвести в табл. 12.2

Как легко заметить, приведенная таблица идентична «таблице умножения», обязательной в двоичной системе и приведенной, выше.

Как осуществить функцию логического умножения?

Функция логического умножения, называемая также конъюнкцией, реализуется логическим элементом (функтором) И, элементом типа И и осуществляется в виде схемы, которая дает на выходе единицу тогда и только тогда, когда сигналы на обоих входах логического элемента имеют значение, соответствующее единице. Это совпадает с табл. 12.2. Самым простым способом такую функцию можно реализовать с помощью схемы, состоящей из двух реле, включенных последовательно (рис. 12.3). При этом можно получить четыре случая, описанных правилами логического умножения, причем один из них вызывает появление выходного сигнала.

Рис. 12.3. Пример простого осуществления функции И (а) и графическое обозначение элемента И (б)

На рисунке приведено функциональное обозначение элемента типа И, встречающееся в литературе и используемое для обозначений на электрических схемах. Чаще всего применяется функциональное обозначение.

Очевидно, что функцию И можно реализовать и другим способом – чисто электронным путем. Это будет рассмотрено ниже.

Что такое операция логического сложения?

Как в случае логического умножения исходим из некоторого сделанного утверждения. Для операции логического сложения – это утверждение, что х или у истинны» Запишем это следующим способом: z = х + у, причем знак «+» означает, как и ранее, знак «·», только логическую операцию, а не арифметическое действие. Такое утверждение является действительно истинным тогда, когда по крайней мере только х или только у истинны, а также и в случае, когда х и у одновременно истинны. Возможны четыре случая» сведенные в табл. 12.3:

Как осуществить функцию логического сложения?

Функция логического сложения, называемая также дизъюнктцией, реализуется логическим элементом типа ИЛИ в виде схемы, которая дает на выходе единицу, если это значение имеет по крайней мере один из входных сигналов. Это соответствует табл. 12.3. Самым простым способом такую функции можно реализовать с помощью схемы, образованной двумя реле, включенными параллельно, как показано на рис. 12.4. На этом же рисунке указано также графическое обозначение элемента типа ИЛИ.

Другие функциональные схемы, реализующие функцию ИЛИ, приводятся ниже.

Рис. 12.4. Пример осуществления функции ИЛИ (а) и условное графическое обозначение элемента ИЛИ (б)

Что такое операция отрицания?

Исходим из утверждения, что х ложно, выражаемого также сокращенно «не х» и записываемого следующим образом: z = х¯. Это утверждение правильно только тогда, когда х = 0. Следовательно, имеются два случая (табл. 12.4).

Как реализовать операцию отрицания?

Операция отрицания или инверсии, называемая также функцией НЕ или элементом типа НЕ, осуществляется в виде схемы, изменяющей логическое значение входного сигнала на противоположное, например схемы, дающей на выходе сигнал 1, когда на входе 0, и наоборот. Такую функцию можно реализовать, например, с помощью усилителя, инвертирующего фазу сигнала. Графическое изображение элемента типа НЕ представлено на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Условное графическое обозначение элемента НЕ

Что такое элемент типа ИЛИ – НЕ?

Это логический элемент[26]26
  Логические элементы, реализующие функции И, ИЛИ, НЕ, И – НЕ, ИЛИ – HЕ, относятся к одноступенчатой логике. – Прим. ред.


[Закрыть], реализующий отрицание логического сложения (функция Пирса) или, что в конечном результате равнозначно, реализующий произведение отрицаний; запишем это следующим образом:

Следовательно, это элемент, представляющий собой соединение двух функций, отсюда название ИЛИ – НЕ. Элемент ИЛИ – НЕ дает на выходе единицу тогда и Только тогда, когда на обоих входах присутствует сигнал 0. Это можно представить в виде табл. 12.5.

Графическое изображение элемента типа ИЛИ – НЕ показано на рис. 12.6. Как следует из записи функции, элемент ИЛИ – НЕ можно реализовать соединением элементов ИЛИ и НЕ либо соединением двух элементов НЕ с элементом И (рис. 12.7). Более того, можно показать, что при использовании элементов ИЛИ – НЕ удается реализовать любую переключающую функцию. Примеры практических решений элементов типа ИЛИ – НЕ приведены на рис. 12.10, в, 12.11.

Рис. 12.6. Условное графическое обозначение элемента ИЛИ – НЕ

Рис. 12.7. Функция И при использовании элементов типа ИЛИ – НЕ