Текст книги "Посвящение в радиоэлектронику"

Автор книги: Владимир Поляков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 26 страниц)

Пакет статорных пластин неподвижен, а роторные пластины при вращении оси вдвигаются в зазоры между статорными, увеличивая таким образом емкость каждого из входящих в блок конденсаторов. Сдвоенным блоком КПЕ можно перестраивать по частоте одновременно два колебательных контура, что и делается в современных радиоприемниках. Настройка индуктивностью применяется значительно реже, главным образом потому, что индуктивность труднее изменять в широких пределах. Основной способ изменения индуктивности – это вдвигание внутрь катушки ферромагнитного сердечника.

Сердечник концентрирует и усиливает магнитный поток, увеличивая тем самым и индуктивность. Подстроечный винтовой сердечник есть почти в каждой катушке индуктивности. Он служит для первоначальной подгонки индуктивности при настройке и регулировке приемника или другого устройства. Нет блока КПЕ в автомобильных приемниках эти приемники традиционно настраивают индуктивностью. Не догадываетесь почему? Причина проста при движении по тряским дорогам пластины блока КПЕ вибрировали бы, сбивая настройку приемника!

При вибрации пластин воздушного конденсатора изменяется его емкость.

Итак, колебательный контур используют в радиоприемниках для настройки на частоту желаемой радиостанции. А где же еще? Во множестве различных устройств! В радиопередатчиках, например, кварцевый резонатор устанавливают только в задающем генераторе, определяющем частоту излучаемого сигнала радиостанции. Но после задающего генератора следуют каскады усиления мощности, и в них кварцевые резонаторы применить нельзя – кристалл рассыпался бы в пыль при тех мощностях высокочастотных колебаний, которые характерны для этих каскадов. А колебательный контур может работать при любых мощностях, лишь бы катушка была намотана достаточно толстым проводом да конденсатор имел достаточный зазор между пластинами (иначе в конденсаторе проскакивали бы искры!).

Колебательные контуры применяют и в усилителях высокочастотных колебаний. В отличие от низкочастотных, апериодических усилителей, высокочастотные усилители получили название резонансных. Они усиливают только колебания тех частот, на которые настроены их колебательные контуры. Еще лет десять – пятнадцать назад высокочастотный усилитель вообще нельзя было построить без колебательных контуров – активные элементы, лампы или транзисторы того времени не позволяли этого сделать. Но времена меняются, и с разработкой замечательных высокочастотных транзисторов стало возможным создать усилители, одинаково хорошо работающие в громадной полосе частот – от звуковых до сверхвысоких, например от 300 Гц до 300 МГц! Но такая широкая полоса частот отнюдь не всегда нужна, и тогда по-прежнему широко используют традиционные резонансные усилители с колебательными контурами в каждом каскаде.

Есть еще одно очень важное применение колебательных контуров, собственно, даже и не контуров, а некоторого числа катушек и конденсаторов, включенных по определенной схеме. Система этих элементов образует электрический фильтр. Поговорим о них подробнее, но прежде разберемся, что же общего характерно для всех описанных случаев применения колебательного контура? Ответ дан в заголовке следующего параграфа.

Каскад резонансного транзисторного усилителя.

Резонансные явления

Резонансные явления в радиоэлектронике характерны для всех цепей, включающих катушки индуктивности и конденсаторы, т. е. реактивные элементы. Реактивный элемент, в отличие от активного простого резистора, способен запасать и отдавать энергию, что и определяет возможность колебательных процессов. Колебательные контуры используют в радиоприемниках, передатчиках, усилителях, фильтрах – т. е. везде, где уже есть электрические колебания, а контур должен откликаться на них. От чего же зависит «мера отзывчивости» колебательного контура (давайте теперь называть его для краткости просто контуром) на внешние колебания? Применив наш испытанный метод аналогий, рассмотрим два примера.

Первый пример – с кораблем. Если корабль накренить, а затем «предоставить самому себе», он не сразу вернется в вертикальное положение. По инерции он пройдет положение равновесия, качнется в другую сторону и, совершив несколько колебаний, примет наконец вертикальное положение. Не обязательно экспериментировать с большим кораблем – можно сделать опыт и с игрушечным корабликом в ванне с водой. Из опыта можно определить и период собственных колебаний, т. е. время, за которое совершается одно полное колебание. Для средних и больших кораблей (не игрушечных, а настоящих, разумеется) период собственных колебаний составляет обычно 5…10 с.

Теперь представьте, что корабль раскачивается набегающими волнами. Если волны мелкие и следуют часто, то большой корабль никак на них не реагирует. Волны лишь плещутся у бортов, не вызывая качки. Другой крайний случай: накатываются очень длинные волны и их период намного больше периода собственных колебаний корабля. Такими волнами могут быть, например, волны цунами. В открытом море их очень трудно, если не сказать вообще невозможно, заметить, настолько они длинны. Корабль очень плавно всплывает на очередную волну и также плавно опускается в ложбину между волнами, и происходит это совсем незаметно для находящихся на корабле. Но этого никак нельзя сказать о жителях побережья, ведь всем известно, какую громадную энергию несут волны цунами и какие разрушения вызывают они на берегу! Не зря же существует служба цунами, предупреждающая о приближении этих разрушительных волн. Получив предупреждение, корабли стараются отойти подальше в открытое море, а жители побережья – эвакуироваться подальше от берега на возвышенные места суши.

Ну а если период набегающих волн равен или близок к периоду собственных колебаний корабля? Вот тут-то все и начинается! Даже если волны не очень большие, корабль сильно раскачивает. Палуба медленно и «муторно» валится из-под ног куда-то вниз и вбок. И только ты приспособился к наклонному положению относительно стен каюты, надстроек, мачт и горизонта, как палуба вдруг подпирает снизу, несет тебя куда-то вверх (при этом внутри что-то сладковато-тошновато замирает), и ты снова без всякой надежды ждешь, когда же, наконец, кончится это изматывающее тело и душу движение! Надеюсь, что я не очень напугал вас, читатель, кратким описанием начинающейся морской болезни. Хотелось лишь подчеркнуть тот факт, что при совпадении периодов внешних и собственных колебаний отклик корабля максимален.

Качка корабля особенно сильна при резонансе.

Другой пример, и одновременно эксперимент. Возьмите грузик и привяжите его на нитку длиной 20…30 см. Держите нитку за свободный конец и покачивайте рукой из стороны в сторону, сначала очень медленно. Качание руки в этом опыте будет внешним воздействием. Следите, чтобы амплитуда внешнего воздействия во всех случаях была одинаковой – достаточно перемещать руку всего на 1…2 см в каждую сторону. При медленном перемещении руки грузик точно отслеживает внешнее воздействие, а нитка всегда остается вертикальной. Заметили этот результат? Теперь убыстряйте движение руки. Частота внешнего воздействия увеличивается, и амплитуда качаний маятника тоже увеличивается, хотя амплитуда внешнего воздействия осталась прежней! Наконец наступает момент, когда маятник раскачивается очень сильно. Амплитуда его колебаний намного превосходит амплитуду внешнего воздействия. Это явление называемся резонансом. Еще увеличьте частоту качаний руки. Амплитуда колебаний маятника заметно уменьшится, а если вы будете двигать рукой очень быстро, с высокой частотой, грузик будет оставаться практически на месте в силу своей инерции.

Экспериментальное наблюдение резонанса.

Проведя физический эксперимент, мы сделали только половину дела. Вторая половина, причем более важная, – осмысление и обработка результатов. Лучше и к тому же нагляднее изобразить результаты эксперимента графически, что мы сейчас и сделаем.

Отложим но горизонтальной оси частоту внешнего воздействия f, а по вертикальной оси – амплитуду колебаний маятника А. При очень низкой частоте внешнего воздействия (медленное движение руки) амплитуда колебаний А равна амплитуде внешнего воздействия В.

При резонансе, когда частота колебаний руки совпадает с собственной частотой маятника f₀, амплитуда колебаний максимальна, что хорошо видно на графике. И наконец, когда частота внешнего воздействия намного больше частоты собственных колебаний f >> f₀, амплитуда колебаний становится исчезающе малой. То, что мы получили на графике, называется кривой резонанса. Ее неоднократно экспериментально определяли для различных колебательных систем (маятников, мостов, кораблей, электрических цепей) и неоднократно рассчитывали теоретически.

Кривая резонанса.

Существует серьезная и весьма сложная наука теория колебаний, занимающаяся изучением различного рода колебательных движений в механике, гидроакустике, электронике и во многих других областях техники. Любопытно, что столь разнородные колебания описываются одними и теми же математическими уравнениями, что объясняется одинаковым (колебательным) характером движения. Разумеется, рассмотренный нами импровизированный маятник – грузик на ниточке – представляет для теории колебаний наипростейший случай.

Но мы опять увлеклись маятниками и чуть не забыли про электрический колебательный контур. Как в нем протекают процессы при воздействии внешнего напряжения? Да абсолютно так же!

Чтобы ввести в контур внешнее напряжение, придется разорвать один из проводов, соединяющих конденсатор с катушкой, и включить в этот разрыв источник внешней ЭДС В. Теперь у нас получился последовательный колебательный контур. Амплитуду колебаний будем наблюдать, измеряя напряжение А на конденсаторе контура. Это можно сделать с помощью осциллографа или вольтметра переменного тока. Собственная частота контура по-прежнему определяется индуктивностью и емкостью. Она рассчитывается по уже известной нам формуле Томсона

Колебательный контур с источником ЭДС.

Внимательный читатель скажет: «На странице 58 была другая формула!». На самом деле формула одна и та же, ведь частота колебаний обратно пропорциональна периоду f₀ = 1/Т. А вот частоту внешнего воздействия напряжения В – мы теперь будем изменять от нуля до очень больших значений. Нулевая частота означает отсутствие колебаний, т. е. постоянное напряжение. Естественно, что в этом случае напряжение на конденсаторе А в точности равно приложенному B, ведь катушка для постоянного тока представляет очень малое сопротивление, а конденсатор – очень большое. При нулевой частоте внешнего напряжения мы получаем начальную точку кривой резонанса. При частоте внешнего воздействия, близкой к собственной частоте контура, отклик контура максимален и переменное напряжение на конденсаторе имеет амплитуду, намного большую амплитуды внешней ЭДС. Это пик резонансной кривой. А при очень высоких частотах отклик контура стремится к нулю, что объясняется увеличением реактивного сопротивления катушки и уменьшением реактивного сопротивления конденсатора. Одним словом, резонансная кривая получается точно такой же, как и для механического маятника-грузика на веревочке.

Возникает естественный вопрос: а насколько же амплитуда колебаний при резонансе А_рез больше исходной амплитуды внешнего воздействия В. Это зависит от одной очень важной характеристики колебательной системы – ее добротности Q. Добротность равна отношению А_рез/B. Чем меньше потери энергии колебаний внутри системы – на трение в маятнике, на преодоление током омического сопротивления катушки в контуре, тем выше добротность. О добротности мы уже говорили; она примерно равна числу колебаний, совершаемых в системе, «предоставленной самой себе», т. е. числу свободных затухающих колебаний.

Резонансные кривые контуров с различной добротностью (Q₁ > Q₂ > Q₃)

На графике показаны резонансные кривые колебательных систем с разной добротностью – высокой Q₁, умеренной Q₂ и малой Q₃.

В радиотехнических колебательных контурах обычно стремятся получать максимальную добротность. Это выгодно в тех случаях, когда используется лишь верхний, самый острый участок резонансной кривой, например для настройки на частоту радиовещательной станции. У таких контуров определяют полосу пропускания 2Δf как расстояние (по частоте) между точками, где амплитуда колебаний падает до 0,7 резонансного значения. Полоса пропускания опять-таки связана с добротностью:

Например, чтобы контур, настроенный на частоту радиостанции второй Всесоюзной программы «Маяк» 549 кГц, имел полосу пропускания 11 кГц, его добротность должна быть равна 50. Здесь уместно отметить, что такая полоса пропускания контура обеспечивает передачу двух боковых полос АМ сигнала, соответствующих звуковым частотам до 5,5 кГц, что даст удовлетворительное воспроизведение музыкальных передач. Всегда ли надо стремиться получать столь высокую добротность контура? Оказывается, нет, и есть ряд электрических цепей, где высокая добротность вовсе не нужна. На них мы и остановимся.

Электрические фильтры

Принцип «чем больше, тем лучше» справедлив не всегда. Высокая добротность не нужна кораблю как колебательной системе. Иначе, попади он в резонанс с набегающими волнами, его раскачает так, что начнется черпание воды бортами, зарывание носом под воду и тому подобные неприятные явления. Следовательно, при проектировании обводов подводной части корабля надо стремиться получать не только минимальное сопротивление движению вперед, что обычно и делается, но и максимальное сопротивление качке. И уж совсем высокая добротность не нужна рессорной или пружинной подвеске автомобиля. Допустим на минуту, что она равна десяти. Тогда, проехав ряд выбоин на асфальте глубиной 5 см, автомобиль может подпрыгнуть на полметра! Это произойдет, если толчки от выбоин попадут в резонанс с собственными колебаниями автомобиля.

Высокая добротность подвески может стать причиной аварии.

Предоставим читателю самому оценить «прелести» такой езды, но обратим его внимание на то, что подвеска автомобиля не мыслится без амортизаторов – специальных устройств, поглощающих энергию колебаний и снижающих добротность подвески автомобиля примерно до 1…3. Ну вот, а теперь после такой «механической» подготовки обратимся к электронике. Допустим, необходимо пропустить к усилителю некоторый диапазон звуковых частот. Сигнал поступает от радиоприемника, или тюнера, как теперь часто называют собственно радиоприемник без усилителя звуковой частоты. Передача сопровождается помехой-свистом высокого тона. Свист, естественно, надо бы ослабить. В этом случае поможет фильтр нижних частот. Его амплитудно-частотная характеристика соответствует резонансной кривой контура очень низкой добротности, близкой к единице. Все частоты от самых низких до резонансной частоты пропускаются фильтром без ослабления, а более высокие ослабляются. Но как понизить добротность контура до единицы?

Взять очень плохую катушку индуктивности с большим омическим сопротивлением? Или конденсатор с плохой изоляцией между пластинами? Конечно, это не лучший выход из положения. Ведь энергия сигнала будет бесполезно теряться в проводах катушки или в диэлектрике конденсатора. Гораздо выгоднее подключить к контуру полезную нагрузку, в нашем примере – входное сопротивление усилителя звуковой частоты. Тогда и добротность контура понизится, а поглощаемая энергия колебаний направится туда, куда нужно. Это как раз тот редкий случай, когда «и волки сыты, и овцы целы».

На рисунке показана схема простейшего Г-образного фильтра нижних частот.

Г-образный фильтр нижних частот.

Конденсатор с катушкой по-прежнему дружно образует колебательный контур, в разрыв одного из соединительных проводов подается входной сигнал, а параллельно конденсатору присоединена полезная нагрузка, в нашем примере – входное сопротивление усилителя звуковой частоты. Приведем очень простые соотношения, позволяющие выбрать величины входящих в фильтр элементов. Добротность контура, который теперь называется уже звеном фильтра, определяется соотношением сопротивления нагрузки и реактивного сопротивления конденсатора или катушки.

Почему «или»? Потому что на резонансной частоте реактивные сопротивления конденсатора и катушки равны друг другу! Напомним, что емкостное сопротивление конденсатора Х_с = 1/2πf_сC, а индуктивное сопротивление катушки X_L = 2πf_сL. У фильтра резонансную частоту называют частотой среза. Когда частота входного сигнала равна резонансной частоте контура или, как говорят, частоте среза фильтра, X_L = Х_с. А добротность контура Q = R_н/X_L = R_н/X_с. Отсюда при Q = 1 получаем для фильтра L = R_н/2πf_с, С = 1/2πf_сR_н. Этими простыми формулами с успехом можно пользоваться при расчете фильтров.

Чтобы фильтр работал эффективнее, соединяют последовательно несколько простейших звеньев. Вспомните: если вам требуется хорошо профильтровать какую-либо жидкость, вы складываете марлю или фильтровальную бумагу в два-три слоя и уж только потом закладываете ее в воронку! Звенья фильтра соединяют так, чтобы можно было объединить соседние элементы. Например, так:

Два полузвена образуют П-образное звено.

Получилось П-образное звено. Или так:

Два полузвена образуют Т-образное звено.

Получилось Т-образное звено. Оба они состоят из двух Г-образных простейших звеньев и обеспечивают… Так и хочется сказать: вдвое большее ослабление. Это будет верно, но только в том случае, если ослабление считать в децибелах. А если просто, как мы привыкли, в «разах»? Например, сигнал с частотой в три раза выше частоты среза простое Г-образное звено ослабит примерно в десять раз. А два звена, думаете, в двадцать раз? Ничего подобного – в сто!

Коэффициенты передачи звеньев К перемножаются. Но тогда логарифмы этих величин должны складываться. Вот почему радиоинженеры так любят логарифмическую единицу ослабления или усиления децибел (дБ). В децибелах можно измерить отношение любых двух величин, например отношение выходного напряжения фильтра к входному, пользуясь соотношением

Но отношение выходного напряжения к входному и есть коэффициент передачи фильтра! В нашем примере для Г-образного звена он составляет – 20 дБ, а для двух Г-образных звеньев, соединенных последовательно, т. е. для П– или Т-образного звена, – 40 дБ. Знак «минус» указывает на то, что происходит ослабление сигнала (в случае усиления был бы знак «плюс»). Как видим, единица децибел действительно очень удобна, а чтобы это полностью оценить, к ней нужно просто привыкнуть. Люди, умеющие пользоваться логарифмической линейкой, редко отказываются от нее, а к микрокалькулятору обращаются лишь для выполнения особо точных расчетов.

Числа на линейке нанесены в логарифмическом масштабе, поэтому для умножения или деления двух чисел достаточно сложить или вычесть длины отрезков на линейке, соответствующие этим числам. Линейка обеспечивает точность расчетов не хуже 1 %. При необходимости большей точности пользуются таблицами логарифмов. Рассказывают о необыкновенном человеке, который соревновался с микрокалькулятором в умножении многозначных чисел. Его секрет объяснялся тем, что, выучив таблицу логарифмов, он вместо умножения мгновенно складывал в уме многозначные числа. С помощью логарифмической линейки или таблиц логарифмов очень удобно переводить отношение двух чисел в децибелы.

Многие читатели, вероятно, слышали, что в децибелах измеряют громкость звука, и теперь недоумевают, прочитав только что введенное определение. Никакого противоречия здесь нет. Если говорить строго, то в децибелах измеряют не силу звука, а отношение силы реального звука к силе звука, соответствующего пороговой чувствительности человеческого уха. Например, громкость оркестра оценивают в + 60 дБ, а рев реактивного двигателя – в + 120 дБ. Это значит, что амплитуда звуковых колебаний в первом случае в тысячу, а во втором в миллион раз больше, чем пороговая. Остается только удивляться необыкновенной способности человеческого уха воспринимать столь огромный диапазон громкостей! Ведь если амплитуда колебаний, различающихся на 120 дБ. отличается в миллион раз, то мощность, пропорциональная квадрату амплитуды, – в 10¹² раз.

Громкость измеряется в децибелах.

Но вернемся к фильтрам. Добавив еще звенья, можно спроектировать фильтр с очень крутым спадом частотной характеристики и выделить слабый полезный сигнал на фоне очень сильного мешающего.

Амплитудно-частотные характеристики многозвенных фильтров нижних частот.

Допустим, надо выделить слабый писк комара на фоне рева реактивного двигателя. Эти звуковые сигналы уже преобразованы в электрические с помощью микрофона. Нужен фильтр, пропускающий высокие частоты (писк) и ослабляющий низкие (рев). Уже известный нам фильтр нижних частот надо видоизменить – вместо катушек установить конденсаторы, а вместо конденсаторов – катушки. Получится фильтр верхних частот. Boт схемы П– и Т-образных звеньев такого фильтра:

Фильтры верхних частот.

Есть еще одна разновидность фильтров, широко используемая в радиоприемниках, – полосовые фильтры. Дело в том, что простой колебательный контур не слишком хорош для выделения сигнала нужной радиостанции. Ведь в полосу пропускания контура должны войти и несущая, и боковые полосы принимаемого сигнала. Это означает, что полоса пропускания не может быть меньше 6…12 кГц. Но рядом с нужной нам станцией работают и соседние, причем разнос их несущих частот составляет всего 9 кГц в диапазонах длинных и средних волн. Одиночный контур с указанной полосой пропускания будет очень мало ослаблять сигналы соседних по частоте станций. Простейший выход из положения связать друг с другом два колебательных контура:

Двухконтурный полосовой фильтр.

Если катушки двух контуров размещены достаточно близко друг к другу, то часть магнитного потока одной катушки пересекает витки другой и энергия колебаний передается из контура в контур. В этом случае и говорят, что контуры связаны. Теперь мы знаем, что не веревочкой, а магнитным полем катушек. Сигнал подают на один из контуров, а снимают с другого. Благодаря связи контуров их резонансные частоты несколько изменяются: одного понижается, а другого повышается, причем это изменение тем больше, чем сильнее связь. При определенной величине связи, называемой критической, сдвиг частот становится больше, чем ширина резонансной кривой каждого из контуров. В этом случае общая резонансная кривая двух контуров приобретает характерную «двугорбую» форму. А если связать несколько контуров? Резонансная кривая будет еще ближе к желаемой прямоугольной. При связи контуров больше критической общая частотная характеристика будет иметь столько «горбов», сколько контуров входит в полосовой фильтр (попробуйте вообразить себе многогорбого верблюда!). Подобные фильтры, называемые фильтрами сосредоточенной селекции, сокращенно ФСС, очень часто применяют в радиоприемниках всех классов сложности.

В полосовых фильтрах можно устанавливать не только параллельные колебательные контуры, но и последовательные. На рисунке приведены их схемы.

Параллельный и последовательный колебательные контуры.

Если сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте максимально, то последовательного – минимально. Здесь реактивные сопротивления конденсатора и катушки компенсируют друг друга, и остается лишь небольшое активное сопротивление провода катушки. При отклонении же частоты от резонансной реактивное сопротивление последовательного контура резко возрастает. На рисунке показана схема одного звена П-образного полосового фильтра, использующего и параллельные, и последовательный контуры. Все три контура настроены на одну и ту же частоту, которая и будет средней частотой полосы пропускания фильтра.

Полосовой фильтр и его характеристика.

Наконец, просто необходимо рассказать об одной из «изюминок» современной электроники – кварцевых и пьезокерамических фильтрах. Колебательные контуры в фильтре можно заменить кварцевыми кристаллами, являющимися превосходными резонаторами. Фильтр от этого только выиграет. Кварцевый фильтр позволяет получать почти идеальную частотную характеристику, близкую по форме к прямоугольной. Даже на весьма высоких частотах порядка единиц и десятков мегагерц кварцевые фильтры могут иметь полосу пропускания всего несколько килогерц. Это объясняется высокой добротностью кварцевых резонаторов. С обычными LC-контурами такие результаты недостижимы. Кварцевые фильтры широко применяют в высококачественной аппаратуре для радиосвязи.

На более низких частотах используют резонаторы более дешевые и с худшей добротностью. Их изготавливают из искусственной пьезокерамики. Во многих портативных радиоприемниках установлен восьмирезонаторный пьезокерамический фильтр сосредоточенной селекции (ПФ1П), схема и внешний вид которого показаны на рисунке.

Пьезокерамический фильтр.

И совсем ненапрасно на лицевой панели приемников с этим фильтром пишут слова: «высокая селективность». Кварцевым и пьезокерамическим фильтрам принадлежит большое будущее, поскольку все резонаторы фильтра можно выполнять на одном кристалле, используя ту же технологию, что и при производстве интегральных микросхем. Изготовленные таким образом фильтры называют монолитными, подчеркивая этим, что фильтр уже не содержит отдельных элементов, а выполнен как одно целое.

Еще одна интересная и перспективная разновидность монолитных фильтров появилась в связи с разработкой устройств на поверхностных акустических волнах, сокращенно ПАВ. Вот что это такое. «Бросая в пруд камешки, наблюдайте круги, образуемые ими», – говорил Козьма Прутков. От брошенного камня на поверхности воды расходятся волны. Подобным же образом и по поверхности пьезокристалла расходятся волны от точки, где эти волны возбуждаются. Скорость волн составляет несколько километров в секунду, она зависит только от упругих свойств материала, а длина волны на частотах радиодиапазона измеряется миллиметрами. Если расположить в ряд несколько возбуждающих электродов, то будет наблюдаться интерференция волн, излучаемых каждым из них. Гребенка электродов, показанная на рисунке, создаст волну в указанном стрелкой направлении только в том случае, если расстояние между электродами составляет половину длины волны. А длина волны зависит от частоты возбуждающего сигнала, следовательно, возбуждение волн возможно только на одной определенной частоте.

Возбуждение ПАВ решеткой электродов (знаками «+» и «—» обозначена мгновенная полярность напряжения, через половину периода полярность изменится на обратную, а гребни волны займут место впадин).

Подобным же образом действует и приемная решетка электродов. Она реагирует на волны только вполне определенной длины, а именно такой, при которой возбуждение всех электродов происходит в одной и той же фазе. Пластинка пьезоэлектрика с двумя парами гребенок электродов образует фильтр, настроенный на вполне определенную частоту. Изменяя геометрические размеры и конфигурацию электродов, можно получать требуемые параметры фильтра: частоту настройки, полосу пропускания и т. д. Фильтры на ПАВ уже широко используют в радиосвязи. В профессиональной аппаратуре они позволяют, например, получать полосу пропускания 3 кГц на частоте в несколько десятков мегагерц. Нашли применение эти фильтры и в телевизорах нового поколения. Там они более широкополосны имеют полосу пропускания в несколько мегагерц.

Теперь мы с вами знаем, как с помощью фильтров можно из oгромнoго числа различных электрических колебаний выделить только определенные, нужные нам. Эта задача первостепенной важности и в радиоприемнике, и в телевизоре, и в устройствах многоканальной связи, и во многих других приборах. Как говорят специалисты, фильтры осуществляют частотную селекцию сигналов.

Но прежде чем выделить сигналы нужной частоты, эту частоту надо знать и уметь измерить, а для этого нужен инструмент измерений.

Монолитный полосовой фильтр на ПАВ.

Эталоны времени и частоты

Представьте себе ситуацию: кварцевые кристаллы для фильтра изготавливались на разных заводах. На каждом кристалле имеется обозначение одной и той же частоты, скажем 10 МГц. Собрали фильтр… и ничего не вышло. Вместо требуемой почти прямоугольной характеристики с плавно скругленными скатами получился ряд каких-то зубцов. Проверили кристаллы – они оказались настроенными на разные частоты. Обратились на один завод, там отвечают: «Мы настраивали на 10 МГц». Обратились на другой – тот же ответ. Возникает естественный вопрос: а чем измеряли частоту? С чем ее сравнивали? С каким образцом или эталоном?

Мы рассмотрели совершенно немыслимый в современном производстве случай, когда каждый завод «на свой аршин меряет». Если бы все измеряли «своими аршинами», нельзя было бы из заводских деталей собрать ни станок, ни автомобиль, ни один подшипник не подошел бы к своему валу, ни одна гайка ни к одному винту, да что там говорить, произошло бы всеобщее и сокрушительное бедствие!

Вот как важны точные и стандартизованные измерения в современной индустрии. Этим занимается специальная наука метрология. В отношении же измерения частоты «аршин» теперь у всех один – эталонная частота атомного стандарта. Ну а где частоты, там и время.

Частота обращения Земли вокруг Солнца задает единицу времени – год. Частота вращения Земли вокруг оси – другую единицу – сутки. Сутки делятся на часы, часы на минуты и секунды. Долгие годы астрономическая секунда была единственным эталоном времени. Но требования науки и техники все возрастают, а астрономическая секунда оказалась недостаточно точна. Вращение Земли неравномерно, оно подвержено влиянию притяжения других планет, приливов и отливов, многих других факторов. Изменения частоты вращения Земли ничтожно малы, но для современных приборов весьма заметны. А время надо знать точно. Отсчет секунд перед стартом космического корабля должен вестись по одной шкале и на космодроме Байконур, и на удаленном дальневосточном наблюдательном пункте, и на корабле слежения, дрейфующем в Индийском океане. Только тогда сообщение наблюдателей, что через 78,35 с после старта «пошла телеметрия», будет иметь смысл.

Но не это главное. Например, надо очень точно измерить частоту принятого телеметрического сигнала, чтобы по ее доплеровскому сдвигу рассчитать и скорректировать орбиту вновь выведенного космического корабля.

Время нужно не только знать, его нужно хранить и беречь и в переносном, и в буквальном смысле. Когда участники экспедиции Витуса Беринга отправились на лошадях через всю Россию из Петербурга к берегам Охотского моря, они везли не только канаты, парусину, якоря и прочее оборудование, они везли с собой и хронометры. Тщательно упакованные хронометры держали на коленях в течение всего путешествия, чтобы нечаянным толчком не сбить, не нарушить отсчитываемый ими ход времени. «Привезя» в Охотск гринвичское время, удалось довольно точно определить долготу неизвестных ранее географических пунктов. Ведь долгота измеряется по разности местного, определяемого по солнцу, и гринвичского времени (напомню, что в Гринвиче, вблизи Лондона, находится обсерватория, через которую проходит нулевой меридиан).