книги / Основы радиоэлектроники

Головки громкоговорителей и телефоны предназначены для преобразования электрических колебаний в звуковые. Основны­ ми параметрами головок являются:

1. Номинальная мощность— наибольшая подводимая к го­ ловке электрическая мощность, при которой нелинейные искаже­

ния не превышают предусмотренных техническими условиями норм.

2.Частотная характеристика головки показывает зависи­ мость от частоты звукового давления, создаваемого головкой.

3.Коэффициент нелинейных искажений головки определяется

как:

где А 1т, А 2 т, А зм — амплитуды первой, второй, третьей и т. д. гармоник звуковых колебаний, появляющихся в результате ис­ кажений в процессе преобразования электрических колебаний

взвуковые.

4.Входное или полное внутреннее электрическое сопро­ тивление головки— сопротивление для гармонического тока обычно на частоте 1000 Гц. Для современных акустических колонок, содержащих ряд громкоговорителей, это сопротивление равно 4 Ом.

Широкое распространение получили электродинамические го­ ловки громкоговорителей. В таких головках катушка, через кото­ рую проходит переменный электрический ток, двигается в маг­ нитном поле постоянного магнита, так как при взаимодействии тока и поля возникает сила Ампера, и приводит в движение связанный с катушкой конусообразный диффузор из литой бума­ ги. Полоса воспроизводимых частот от 30 Гц до 16 кГц.

Для индивидуального прослушивания радиопередач и для других целей получили распространение головные телефоны, из которых наиболее часто используется электромагнитный теле­ фон. В этом телефоне переменный электрический ток протекает через катушки, создается переменное магнитное поле, которое притягивает стальную мембрану и вызывает ее колебание. Поло­ са воспроизводимых частот составляет 300— 3500 Гц, мощ­ ность— порядка единиц милливатт. Принцип действия другого типа телефона — пьезоэлектрического — основан на явлении об­ ратного пьезоэлектрического эффекта. При подведении к биморфному (двухслойному) пьезоэлементу напряжения он изгиба­ ется, а связанная с ним мембрана колеблется.

Механическая запись и воспроизведение звука. Запись звука механическим методом — грамзапись — производится путем вы­ резания специальным резцом в твердом материале, называе­ мом звуконосителем, звуковой дорожки — канавки определенной

формы — механической фонограммы. Как правило, звуконоси­ тель имеет форму диска. Механическая фонограмма может быть записана поперечным или глубинными способами. При этом резец на диске колеблется либо в горизонтальной плоскости — в радиальном направлении звукоснимателя, либо в вертикальной плоскости. В первом случае глубина канавки постоянная, во втором— меняется. При производстве стереофонических грам­ пластинок, когда требуется записать два независимых колебания, используется глубинно-поперечная фонограмма. Резец постепен­ но перемещается от края вращающегося диска к его центру, вырезая в диске зигзагообразную канавку.

Резец является частью рекордера. Кроме резца, рекордер со­ стоит из постоянного магнита и катушки, через которую прохо­ дит электрический ток от усилителя и с которой механически связан резец.

При протекании тока катушка и резец колеблются. По старой технологии производства грампластинок звуковые колебания с помощью микрофона и усилителя записывались на магнито­ фон, а затем уже получалась механическая фонограмма. Однако эта технология отличалась высоким уровнем шумов. С целью уменьшения уровня шумов разработана так называемая цифро­ вая запись. В этом случае сигнал с выхода усилителя подается на аналогово-цифровой преобразователь и записывается на магнит­ ной ленте в цифровой форме, позволяющей резко уменьшить уровень шумов этой ленты. При получении механической фоно­ граммы цифровой сигнал с выхода магнитофона подается на цифро-аналоговый преобразователь, преобразуется в обычный аналоговый (непрерывный) сигнал и подводится к рекордеру.

Первичная запись рекордером производится на металличе­ ском диске, покрытом специальным лаком. На диск с записью наносится тонкий слой серебра или никеля, затем гальваническим способом наращивают слой меди необходимой толщины. С по­ лученных «негативов» изготавливают ряд копий, которые ис­ пользуют для печатания грампластинок.

Эта технология также приводит к высокому уровню шумов записи. В настоящее время предложена технология производства пластинок ДММ, которая предполагает первичную запись на металлическом диске, с которого потом и печатаются пластинки, обладающие очень малым уровнем шумов.

При воспроизведении грамзаписи игла звукоснимателя двига­ ется по звуковой дорожке, приводя в движение подвижную часть звукоснимателя, а на выходе звукоснимателя появляется пере­ менное напряжение, которое затем усиливается и подается к го­ ловкам громкоговорителей. Иглы звукоснимателей бывают ко­ рундовыми (срок службы 50-г 75 часов) и алмазными (срок служ­ бы 500 -г-1000 часов). Широко применяются электродинамические и пьезоэлектрические звукосниматели.

Встереофонических электродинамических звукоснимателях механические колебания связанного с иглой ферритового стержня приводят к появлению в катушках звукоснимателя двух ЭДС индукции, которые подаются на входы усилителей правого и ле­ вого каналов.

Впьезоэлектрическом звукоснимателе колебание иглы приво­ дит к деформации пьезоэлектрической пластины и к появлению

на ее обкладках зарядов и напряжений величиной 0,5 ч-1 В, кото­ рые затем усиливаются.

Магнитная запись и воспроизведение звука. Магнитная запись звука обладает рядом преимуществ по сравнению с механиче­ ской: ее можно сразу воспроизводить, звукозапись используется многократно, записывающая аппаратура — магнитофоны — про­ сты в управлении и сравнительно дешевы.

Магнитный способ записи звука основан на свойстве ферро­ магнитных тел сильно намагничиваться в сравнительно слабых магнитных полях и сохранять состояние намагниченности после их исчезновения.

В бытовых и профессиональных магнитофонах широкое приме­ нение получили магнитные ленты. Их основанием (подложкой) являются немагнитные эластичные ленты толщиной 18—55 мкм из синтетических материалов. Подложка покрывается ферромагнит­ ным порошковым слоем толщиной 8н-20 мкм. Магнитофон состо­ ит из: 1) лентопротяжного механизма (с одним, двумя или четырь­ мя электромоторами в разных магнитофонах) для перемещения магнитной ленты; 2) входного устройства, усилителя записи и за­ писывающей магнитной головки; 3) воспроизводящей магнитной головки, усилителя воспроизведения и головки громкоговорителя;

4)генератора высокой частоты и стирающей магнитной головки. Запись производится следующим образом: ток звуковой час­

тоты от усилителя записи подводится к записывающей магнит­ ной головке, в зазоре которой возникает переменное магнитное поле, намагничивающее магнитную ленту, которая двигается в этом зазоре под действием лентопротяжного механизма. После прохождения зазора намагниченность ленты остается, создается магнитная фонограмма. Для улучшения качества записи на запи­ сывающую головку одновременно с НЧ колебаниями подаются колебания с частотой 40-т-75 кГц от генератора высокой частоты. Старая запись предварительно стирается с магнитной ленты стирающей магнитной головкой, на которую также подаются колебания от генератора высокой частоты. Когда осуществляется воспроизведение записи, усилитель записи и высокочастотный генератор отключаются, включается усилитель воспроизведения с воспроизводящей магнитной головкой. Лентопротяжный меха­ низм перемещает ленту с магнитной фонограммой мимо зазоров воспроизводящей головки. Магнитное поле фонограммы наво­ дит в воспроизводящей головке переменную ЭДС звуковой час­

ния разной длины, называемые пита­ ми, глубина питы — 0,1 мкм, шири­ на— 0,6 мкм (в 30 раз тоньше челове­ ческого волоса). Для записи использу­ ются девять значений длин (рис. 10.4). Минимальная длина питы равна при­ близительно 0,9 мкм, длины следую­ щих пит превышают эту длину в 4/3,

5/з, 2,' 7/ з , 8/3 , 3, 10/ з , п /з раз. Расположенные в ряд питы образуют до­ рожку записи. Расстояние между сосед­ ними дорожками на компакт-диске

равно 1,6 мкм, что соответствует 625 дорожкам на 1 мм. На диск со стороны пит нанесена алюминиевая пленка, которая сверху покрывается непрозрачной пленкой. Высокий уровень развития техники сервопривода позволяет стабильно воспроизводить сиг­ нал при использовании соответствующей оптической техники (лазерного облучателя компакт-диска и светочувствительного элемента — фотодиода) и техники цифровой обработки сигнала; игла звукоснимателя отсутствует. В цифровом проигрывателе используется полупроводниковый лазер на основе сплава галлия,

0,78 мкм, напряжением питания — около 2 Вт и ресурсом работы 10... 1000 тыс. ч. Луч лазера фокусируется на дорожке записи (диаметр пятна 2 мкм) и отражается металлической пленкой на фотодиод. Если же луч падает на питу, он рассеивается и не отражается к фотодиоду. Таким образом, с помощью пит осуще­ ствляется модуляция отраженного сигнала и считывание инфор­ мации. Царапины со стороны непрозрачной защитной пленки не страшны, если не повреждены питы, так как луч лазера туда не доходит. Царапины менее 1 мм со стороны прозрачного диска также не страшны, поскольку на этой поверхности диска луч лазера еще не сфокусирован и имеет диаметр около 1 мм, неболь­ шие царапины не создают препятствий для прохождения луча, и не возникают помехи воспроизведению. Поскольку цифровая грампластинка типа СД имеет маленький диаметр, желательно осуществлять запись с одинаковой плотностью по всей ее поверх­ ности. Для этого скорость вращения компакт-диска должна из­ меняться от 500 до 200 оборотов в минуту в зависимости от положения звукоснимателя. Напомним, что скорость вращения стандартной долгоиграющей пластинки равна 33*/з оборота в минуту.

Чтобы избежать влияния шумов и искажений, звуковой сиг­ нал при цифровой записи с помощью аналого-цифрового преоб­ разователя преобразуется в цифровую форму аналогично записи, используемой в компьютере. Эта последовательность импульсов

используется при записи сигнала на компакт-диск в процессе формирования последовательности пит различной длины. При воспроизведении промодулированный импульсами отраженный оптический сигнал попадает на фотодиод оптического звукосни­ мателя, после усиления и обработки— на аналого-цифровой пре­ образователь (ЦАП), превращается в аналоговую форму и вос­ производится акустическими колонками. Техника позволяет ре­ ализовать следующие параметры компакт-диска: рабочий диапазон частот 20...20 000 Гц, коэффициент нелинейных искаже­ ний 0,05% (в 10 раз лучше, чем у долгоиграющей грампластин­ ки). Отношение сигнал/шум (динамический диапазон) 90 дБ, (у долгоиграющей— 73...78 дБ).

Шум компакт-диска почти не слышен и определяется шумом аналоговой части канала воспроизведения (после ЦАП). Коэффи­ циент детонации ниже порога чувствительности измерительной аппаратуры. Обычно для уменьшения габаритов проигрывателя лазер расположен снизу, со стороны электродвигателя. Посколь­ ку скорость вращения весьма высока, диск на валу двигателя отсутствует (компакт-диск устанавливается на вал двигателя).

Для постоянной фокусировки луча лазера на отражающий слой используется специальная система автофокусировки. Для слежения за нужной дорожной записью используется система автотрекинга.

В цифровых проигрывателях требовалось использовать 500-^600 интегральных схем средней степени интеграции, поэто­ му разработчики перешли к использованию больших интеграль­ ных схем. Используемая фирмой СОНИ БИС содержит 27000 транзисторов.

§10.7. Классификация бытовой радиоэлектронной аппаратуры

Внастоящее время радиоэлектронная аппаратура прочно во­ шла в быт людей. Все модели этой аппаратуры можно разделить на три вида: стационарные, переносные, автомобильные.

По назначению любая модель бытовой аппаратуры представ­ ляет собой одно из следующих устройств:

1.Радиоприемник (см. главу 8).

Радиоприемник может быть стационарным, переносным, но­ симым.

2.Тюнер— радиоприемник, не содержащий усилителя мощ­ ности и предназначенный для работы с внешним усилителем мощности и внешними акустическими системами (АС).

3.Тюнер — усилитель состоит из тюнера и усилителя мощ­ ности звуковой частоты. Акустическая система отсутствует.

4.Усилитель сигналов звуковой частоты может представлять собой предварительный усилитель, усилитель мощности или пол­

ный усилитель. Усилитель мощности подключается к выходу предварительного усилителя и усиливает сигналы до мощности, необходимой для нормальной работы акустических систем. В полном усилителе объединены предварительный усилитель

иусилитель мощности.

5.Акустическая система — один или несколько громкогово­ рителей, размещенных в корпусе.

6.Телевизор (см. главу 9).

Телевизоры бывают стационарными, переносными и автомо­ бильными.

7.Электропроигрыватель (ЭП) состоит из электропроигрыва­ ющего устройства (ЭПУ) и предварительного усилителя.

8.Электрофон представляет собой ЭПУ, смонтированный вместе с усилителем мощности и укомплектованный АС.

9.Радиола — это радиоприемник и ЭПУ, размещенные в од­ ном корпусе.

10.Магнитофоны изготавливаются стационарные, перенос­ ные и носимые.

11.Плейер — портативный (носимый) магнитофон с наушни­

ками.

12.Магнитола — моноблочное (состоящее из одного блока) переносное или автомобильное устройство, включающее тюнерусилитель, кассетный магнитофон и АС.

13.Телемагнитола отличается от магнитолы наличием встро­ енного телевизора.

14.Кассивер состоит из тюнера-усилителя и кассетной маг­ нитофонной приставки, выполненных в одном корпусе.

15.Эквалайзер представляет собой электрический регуля­ тор тембров. Он приспосабливает АЧХ радиоаппаратуры к аку­ стике помещения. Выравнивая провалы, выбросы, спады и подъ­ емы АЧХ, эквалайзер уменьшает неравномерность АЧХ, при­ ближая ее к идеально-постоянной во всем диапазоне звуковых частот.

16.Таймер— это электронные часы с возможностью запро­ граммированного включения и выключения радиоустройств не­ сколько раз в сутки.

17.Устройство дистанционного управления предназначено для управления радиоэлектронной аппаратурой на расстоянии

исодержит блок управления и линию связи, как правило, рабо­ тающую в диапазоне инфракрасных волн.

18.Музыкальный центр может включать тюнер, ЭПУ, маг­ нитофонную приставку, усилитель мощности, смонтированные в одном корпусе. Комплектуется выносными АС.

19.Радиокомплекс — многофункциональное устройство, смон­ тированное в отдельных корпусах. Обычно содержит тюнер, предварительный усилитель, усилитель мощности, магнитофон­ ную приставку, ЭП, эквалайзер, таймер и АС.

20. Видеомагнитофон— устройство для магнитной записи

ивоспроизведения изображений.

21.Видеоплейер— видеомагнитофон, предназначенный толь­ ко для воспроизведения видеозаписей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 10

1.Что такое космическая связь?

2.В каких диапазонах осуществляется эта связь?

3.Можно ли осуществлять прием телевизионных программ со спутников?

4.Нарисуйте структурную схему радиолокатора и объясните принцип его работы.

5.Как передаются сигналы по волоконно-оптической линии связи?

6.Какие типы микрофонов вы знаете? Как они работают?

7.Что представляют из себя долгоиграющая грампластинка и компакт-

диск?

8.Как работает магнитофон?

там, где не требуется высокая точность, целесообразно использо­ вание более простых аналоговых систем.

5. Создание глобальных (всемирных) систем связи и инфор­ мации (радиорелейных, спутниковых, волоконно-оптических и др.) и объединение под «руководством» центральных ЭВМ различных систем связи в единую автоматизированную систему связи.

Примером глобальной целенаправленной системы связи 'и оповещения может служить международная служба КОСПАС (космическая система поиска аварийных судов и самолетов). В настоящее время систему КОСПАС обслуживают три спутника (два советских и один американский). Имеется и другая аналогич­ ная система — САРСАТ (США, Канада, Франция), взаимодей­ ствующие с КОСПАС.

6. Установление фундаментальных пределов радиоэлектрони­ ки с точки зрения физики, экологии, экономики, социологии: возможностей микроминиатюризации, размеров антенных сис­ тем, генерируемых мощностей, мощностей минимально обнаружимых сигналов, полос пропускания устройств и т. п.

7. Проникновение идей и методов радиоэлектроники в самые разнообразные отрасли человеческой жизни и деятельности.

В наше время трудно представить себе какую-либо область науки и техники, в которой не использовались бы идеи и методы радиоэлектроники. С ее применением связаны наиболее заметные открытия последних десятилетий в космонавтике, астрономии, химии, биологии, медицине и во многих других отраслях.