книги / Основы радиоэлектроники

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс основ радиоэлектроники на физическом и технолого­ экономическом факультетах, а также факультетах технологии и предпринимательства пединститута или педуниверситета— один из основных курсов, особенно важных при подготовке будущего учителя к преподаванию соответствующих разделов школьной программы и к внеклассной работе со школьника­ ми. Проникновение радиоэлектроники в науку, производство, в бытовую технику, большой интерес, проявляемый школь­ никами к радиосхемам, требуют серьезной подготовки учи­ теля в области радиоэлектроники. Трудности освоения этой науки связаны не только со сложностью курса, с новыми поня­ тиями, идеями, с новым языком, но и с часто наблюдающимися пробелами в знаниях по курсу математики (разделы дифферен­ циального и интегрального исчисления, комплексных чисел) и об­ щей физики (разделы электричества, магнетизма и электро­ динамики).

В пособии подробно рассматривается основная идея радио­ электроники— использование модулированных электромагнит­ ных волн для передачи информации. Описаны элементы радио­ электронных цепей: резисторы, конденсаторы, диоды, транзисто­ ры и т. д., а также радиоэлектронные устройства из этих элементов: усилители, генераторы, детекторы и др. Рассмотрена реализация радиоэлектронных устройств в виде интегральных микросхем. Из радиоустройств создаются радиоэлектронные сис­ темы: радиопередатчики, радиоприемники, радиолокаторы, ра­ диотелескопы и т. д.

Большое внимание в пособии уделяется использованию прин­ ципов радиоэлектроники в радиовещании, телевидении, радиоло­ кации, радиоастрономии, космической и волоконно-оптической

связи, а также в электронной аппаратуре грамзаписи и магнитной записи.

Курс основ радиоэлектроники является первым из радиотех­ нических курсов, изучаемых студентами физических и технолого­ экономических факультетов, а также факультетов технологии и предпринимательства педвузов. Вслед за ним в ряде вузов изучаются «Радиоизмерения и радиомонтаж», «Техническое мо­ делирование в области радиоэлектроники», «Электрорадиотех­ ника школьных устройств», «Автоматика», «Цифровая электро­ ника», тесно связанные понятиями, идеями и методами с курсом основ радиоэлектроники. Поэтому глубокое изучение основ ра­ диоэлектроники необходимо для освоения и всех последующих радиотехнических курсов.

микрофона появляется электрический сигнал y\=FM( X \ опреде­ ляемый свойствами звукового сигнала и микрофона. Этот сигнал может быть усилен и преобразован в системе, которая является передатчиком, и на выход поступает сигнал y = F { x \ в котором заключена передаваемая информация. Далее сигнал распростра­ няется к приемнику по линии связи. Линия связи может представ­ лять собой два провода, соединяющие передатчик и приемник. В этом случае речь идет о проводной, например, телефонной связи. Можно осуществить связь и без проводов с помощью электромагнитных волн. Передатчик, линия связи и приемник образуют систему связи или канал связи (канал передачи). Здесь важно отметить, что на всех этапах прохождения сигнала, несу­ щего информацию от источника к приемнику, на сигнал дей­ ствуют помехи. Они искажают сигнал, превращая его в ум(Х). В результате количество информации, поступающей к приемни­ ку, уменьшается. Приемник обрабатывает принятый сигнал (уси­ ливает и преобразует в сигналы X i ). В частности, в громкогово­ рителе радиовещательного приемника электрический сигнал пре­ образуется в звуковой сигнал Х 1. В рассматриваемом случае, в результате воздействия помех, кроме переданного слова, сигнал Х г содержит шум, который делает слово неразборчивым. Чтобы уменьшить воздействие помех, можно представить сигнал в по­ мехоустойчивой форме, подвергнув его дополнительным преоб­ разованиям— кодированию* и модуляции — или одной модуля­ ции. Это осуществляется с помощью части передатчика— кодера и модулятора — или только модулятора. Тогда в приемнике не­ обходимо произвести обратное преобразование сигнала— деко­ дирование и демодуляцию — или только демодуляцию с по­ мощью декодера и демодулятора или только демодулятора, затем необходимо извлечь информацию из принятого сигнала Х г, сопоставляя этот сигнал с полученными ранее, выяснить, в чем сходство принятого сигнала с ранее известными и в чем отличие. Это предполагает наличие специальной системы распо­ знавания (системы анализа сигналов и принятия решения, какой же сигнал передавался в данном случае, какое слово было произ­ несено). Такой системой распознавания может быть человек или ЭВМ. Сигналы Х х на выходе приемника, содержащие информа­ цию, могут быть зафиксированы (записаны) в памяти человека или ЭВМ, напечатаны на бумаге или зафиксированы на магнит­ ной ленте (диске).

* Кодирование информации— установление соответствия между элементами сообщения и сигналами, при помощи которых эти элементы могут быть зафик­ сированы. Эту задачу решает кодер источника. Дальнейшие этапы прохождения данных— передача по каналу передачи и (или) хранение в запоминающих уст­ ройствах— требует обнаружения и (или) исправления ошибок, возникающих в них вследствие помех 1*

1 Физическая энциклопедия, т. 1, стр. 397.

Рис. 2в

Специфической особенностью информации является возмож­ ность многократного применения одной и той же информации для различных целей и действий. В частности, при извлечении информации из памяти человека или ЭВМ, информация, записан­ ная в памяти, не исчезнет, а извлеченная информация начинает свое самостоятельное существование и может быть использована различным образом.

С течением времени память ухудшается в результате роста энтропии системы памяти, и записанная информация стирается.

Приведем два примера записи сигналов, несущих инфор­ мацию.

1. 1рамзапись (рис. 2 В). Звуковые сигналы после преобразова­ ния с помощью микрофона в электрический сигнал и усиления подаются на рекордер, преобразующий электрические колебания в механические. Резец рекордера прочерчивает дорожку на вра­ щающемся металлическом диске— матрице. При отсутствии сиг­ нала форма дорожки— спираль. При наличии сигнала форма дорожки является волнообразной и определяется звуковыми ко­ лебаниями, несущими некоторую информацию. Таким образом на матрице записывается эта информация. С помощью матрицы печатается множество пластинок с записью одной и той же информации. Для извлечения информации необходимо создать сигнал, меняющийся во времени и содержащий эту информацию.

В проигрывателе пластинка начинает вращаться, и игла звуко­ снимателя приходит в движение, соответствующее записанным звуковым колебаниям. В звукоснимателе происходит преобразо­ вание механических колебаний в электрические. Появившийся на выходе звукоснимателя электрический сигнал усиливается и по­ дается на громкоговоритель. С помощью громкоговорителя элек­ трический сигнал преобразуется в звуковые волны, которые сис­ тема распознавания (человек) и воспринимает.

В процессе печатания и проигрывания пластинок канавки матрицы (при печати) и пластинки (при проигрывании) забива­ ются пылью, качество записи ухудшается, т. е. записанная ин­ формация постепенно теряется.

Магнитная лента

Усилитель

Рис. Зв

2. Магнитная запись. В бытовом магнитофоне (рис. 3 В) под действием звуковых волн на выходе микрофона возникает элек­ трический сигнал. После усиления он поступает на обмотку запи­ сывающей головки магнитофона, где возникает магнитное поле, пропорциональное электрическому сигналу.

Вдоль головок двигается пластмассовая лента, покрытая слоем ферромагнитного порошка (магнитная лента). Порошок намагничивается в магнитном поле головки, и таким образом на ленте записывается информация, содержащаяся в звуковых волнах.

При воспроизведении магнитная лента проходит вдоль вос­ производящей головки, и под действием магнитного поля ленты в обмотке головки возникает электрический сигнал, который затем усиливается и подается на громкоговоритель. После преоб­ разования в громкоговорителе получаются звуковые волны, вос­ принимаемые человеком.

В случае видеозаписи записываются и воспроизводятся не только электрические сигналы, определяемые звуковыми волна­ ми, но и электрические сигналы, обусловленные оптическим изоб­ ражением. Неоднократное проигрывание магнитофонной записи позволяет каждый раз воспроизводить записанную информацию. При многократном прокручивании магнитной ленты слой ферро­ магнитного материала с нее осыпается, качество записи ухудша­ ется, а информация постепенно теряется.

Магнитная запись широко используется в вычислительной технике. Импульсные сигналы (последовательность импульсов)

ввычислительной машине записываются на магнитный диск или ленту, а затем при необходимости считываются и используются вновь. (Подробнее грамзапись и магнитная запись рассмотрены

вглаве 10).

§ 2. Определение и области применения радиоэлектроники

Радиоэлектроника (от латинского слова radio— излучаю, ис­ пускаю лучи)— это название ряда областей науки и техники, где для передачи информации используются электромагнитные

Рис. 4в

волны. Основная функция радиоэлектроники — передача и прием электрических сигналов, несущих информацию,— осуществляется путем излучения электромагнитной энергии специальной излу­ чающей системой (антенной радиопередатчика) и улавливания (приема) на расстоянии части этой энергии антенной радиопри­ емника (рис. 4 В). Излучаемая энергия распространяется в окру­ жающем антенну пространстве со скоростью света в виде сво­ бодных электромагнитных волн, совпадающих по своей природе со световыми лучами, отличаясь от них, как правило, большей длиной волны. Излучение электромагнитной энергии — наиболее характерная особенность радиоэлектроники.

Основные составляющие радиоэлектроники — радиотехника, электроника, радиофизика.

Радиотехника— это наука о методах генерирования (созда­ ния) сигнала, усиления, излучения и приема электромагнитных колебаний и волн. Кроме того, это область техники, осуществ­ ляющая применение этих колебаний и волн для передачи инфор­ мации в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радионавигации, радиотелеметрии, радиоуправлении и т. д.

Для генерирования, усиления и приема электромагнитных колебаний и волн необходимо создание специальных электрон­ ных приборов — вакуумных, газонаполненных или полупровод­ никовых. Поэтому важной частью радиоэлектроники является электроника— наука о взаимодействии электронов с электромаг­ нитными полями в вакууме, газе или полупроводниках, а также о методах создания электронных приборов. В последние годы большое развитие получила микроэлектроника— раздел электро­ ники, связанный с созданием узлов, блоков и отдельных уст­ ройств в микроминиатюрном исполнении, а также оптоэлектро­ ника— раздел радиоэлектроники, связанный с совместным ис­ пользованием оптических и электрических методов передачи, обработки и хранения информации.

Раздел физики, в котором изучаются физические основы ра­ диотехники, называется радиофизикой. Важнейшими проблема­ ми радиофизики являются исследование возбуждения и преоб­ разования электрических сигналов и помех, а также излучения и распространения электромагнитных волн.