- •Радиотехнические сигналы
- •1.1. Классификация сигналов
- •1.2. Гармонические сигналы и их представление
- •1.3. Спектральное представление сигналов
- •2.1. Общие понятия и элементы теории электрических цепей
- •Основные электрические величины
- •Идеальные элементы цепей
- •Пассивные двухполюсники
- •Активные двухполюсники
- •Законы Кирхгофа
- •2.2 Методы анализа электрических цепей
- •2.2.1. Основы метода комплексных амплитуд
- •2.2.2. Комплексное сопротивление и комплексная проводимость
- •2.2.3. Методы составления уравнений состояния цепей
- •2.2.4. Элементы теории четырехполюсников
- •2.3. Частотные характеристики линейных цепей
- •3. Основы полупроводниковой электроники
- •3.1. Электрофизические свойства полупроводников
- •3.2. Электронно-дырочный переход
- •3.3. Диоды
- •3.4. Транзисторы
- •3.4.1. Биполярные транзисторы
- •3.4.2. Полевые транзисторы
- •3.4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
- •3.4.2.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом
- •3.4.2.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом
- •3.4.3. Дифференциальные параметры и эквивалентные
- •4. Усиление электрических сигналов
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Основные положения линейной теории усиления сигналов
- •4.2.1. Анализ режима покоя. Схемотехника усилительных цепей.
- •4.2.2. Анализ режима усиления
- •4.3. Частотные характеристики усилителя на резисторах
- •4.4. Избирательные усилители
- •4.1.1. Резонансный усилительный каскад с общим эмиттером
- •4.1.2. Каскады со связанными контурами
- •4.5. Обратные связи в электронных усилителях
- •4.6. Повторители напряжения
- •4.7. Усилители постоянного тока
- •4.8. Операционные усилители
- •4.9. Оконечные каскады усилителей мощности
- •5. Генерирование электрических колебаний
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Автогенераторы гармонических колебаний
- •5.2.2. Трехточечные lc – автогенераторы
- •6. Автогенераторы релаксационных колебаний
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Мультивибратор на биполярных транзисторах
- •6.3. Мультивибратор на операционном усилителе
- •7. Нелинейные и параметрические преобразования сигналов.
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Нелинейное резонансное усиление и умножение частоты
- •7.3. Модуляция сигналов
- •7.3.1. Амплитудная модуляция
- •7.3.2. Угловая модуляция
- •7.4. Детектирование сигналов
- •7.4.2. Детектирование сигналов с угловой модуляцией.
- •7.5. Преобразование частоты
- •7.6. Синхронное детектирование
- •7.7. Параметрическое усиление
- •8. Источники вторичного электропитания
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Выпрямители
- •8.2.1. Однополупериодный выпрямитель
- •8.2.2. Мостовой двухполупериодный выпрямитель.
- •8.3. Сглаживающие фильтры.
- •8.4. Стабилизаторы напряжения
- •9. Основы цифровой техники
- •9.1. Общие сведения о цифровой обработке сигналов
- •9.2. Цифровое представление информации. Цифровые коды
- •9.3. Основы алгебры логики
- •9.4. Логические элементы (лэ)
- •9.5. Представление логических переменных электрическими сигналами
- •9.6. Базовые логические элементы. Их классификация,
- •9.7. Классификация логических устройств
- •9.8. Комбинационные логические устройства (клу)
- •9.8.2. Логическое устройство неравнозначности (Исключающее или).
- •9.8.3. Логическое устройство равнозначности
- •9.8.4. Полусумматор одноразрядных двоичных чисел.
- •9.8.5. Сумматор одноразрядных двоичных чисел.
- •9.8.6. Сумматор одноразрядных десятичных чисел.
- •9.8.7. Преобразователи кодов
- •9.9. Последовательностные логические устройства (плу)
- •9.9.1. Триггеры
- •9.9.2. Счетчики.
- •9.9.3. Регистры.
- •9.10. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •9.11. Запоминающие устройства
- •9.12. Примеры цифровых систем
- •9.12.1. Электронные часы
- •9.12.2. Микропроцессорные системы
- •10. Линейные цепи с распределенными
- •10.1. Общие сведения о длинной линии
- •10.2. Телеграфные уравнения
- •10.3. Длинная линия. Гармонический волновой процесс
- •10.3.1. Общее решение телеграфных уравнений
- •10.3.2. Прямые и обратные волны
- •10.3.3. Отражение волн в длинной линии
- •10.3.4. Интерференция прямых и обратных волн
- •10.3.5. Пример построения интерференционной картины
- •10.3.6. Входное сопротивление длинной линии
- •10.4. Комплексный коэффициент передачи и передаточная функция системы с длинной линией
- •10.4.1. Постановка задачи
- •10.4.2. Способ, основанный на представлении рассматриваемой системы совокупностью функциональных узлов
- •10.4.3. Способ, основанный на использовании граничных условий
- •10.5. Примеры практического применения длинных линий
Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина |
ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ |
Конспект лекций |
А.Ф. Ляховский
|
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи радиоэлектроники
Радиоэлектроника – отрасль науки и техники, имеющая дело с использованием электромагнитных явлений и процессов для передачи, приёма, обработки, хранения и применения различного рода информации.
Информация – это сведения об окружающем нас мире, данные и сведения, которые отражают свойства объектов в физических, технических, биологических, социальных системах.
Начиная с 19 века, для передачи информации человечество широко использует электромагнитные явления и процессы. В 1832 г русский ученый П.Л. Шиллинг изобрел первый телеграфный аппарат. В 1837 г. американец С.Ф.-Б. Морзе создал электромеханический телеграфный аппарат. Информация в телеграфных аппаратах передавалась по проводам в виде кодов посредством двух состояний электрического напряжения: положительного и нулевого. Примером такого кода является азбука Морзе. Телеграфные коммуникационные системы используются до сих пор.
Следующим важным достижением в использовании электричества для обмена информацией стало изобретение в 1876 г. А.Г. Беллом телефонного аппарата, положившее началу телефонной связи.
Открытие А.С. Поповым в 1895 г. беспроволочного способа передачи сообщений (радиосвязь) положило начало использования электромагнитных волн для обмена информацией и зарождению новой отрасли науки и техники – радиотехники. В значительной степени достижения современной цивилизации определяются уровнем использования электромагнитных полей на практике.
Открытие английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона в 1897 г. положило начало зарождению новой области науки – электронике. С изобретением вакуумного диода (1905г.) и вакуумного триода в 1907 г. дальнейшее развитие радиотехники (телевидение, радиолокация, дальняя космическая связь) неразрывно связано с успехами в области электроники. С изобретением транзистора в 1948 г. начала быстро развиваться полупроводниковая электроника. В конце 50-х годов 20 столетия были созданы первые интегральные микросхемы. В научно-технической литературе появился термин «радиоэлектроника». Радиоэлектроника представляет собой собирательное название ряда неразрывно связанных между собой современных отраслей науки и техники, которые изучают явления взаимодействия электромагнитных полей с веществом и их практического применения для передачи, приема, хранения, обработки и использования различного рода информации.
Основными составляющими радиоэлектроники являются: радиофизика, радиотехника, электроника.
Радиофизика – отрасль физики, которая изучает явления взаимодействия электромагнитных полей с веществом.
Радиотехника – отрасль науки и техники, занимающаяся проблемами генерации, усиления, преобразования, передачи и приема электромагнитных колебаний и волн с целью передачи и приёма информации.
Электроника – отрасль науки и техники, которая исследует явления движения носителей электрического заряда в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах и занимается проблемами их практического использования в электронных приборах.
Традиционными отраслями применения электромагнитных процессов и явлений являются радиосвязь, радиовещание и телевидение, радиолокация, радионавигация и телеуправление, радиоастрономия, вычислительная техника, системы автоматического управления, промышленная электроника. Наряду с этим радиоэлектронная аппаратура и электромагнитные поля давно стали использоваться в биологии и медицине. В медицине находят применение электромагнитные поля и волны для диагностики и физиотерапии практически во всем освоенном диапазоне частот.
В настоящее время трудно найти отрасли человеческой деятельности, где не применялись бы радиоэлектронные устройства.
Широкое применение радиоэлектроники обусловлено тем, что ее средства:
позволяют передавать информацию с предельной в природе скоростью с=108м/с;
позволяют регистрировать очень слабые сигналы с мощностью Вт, т.е. обладают высокой чувствительностью;
позволяют создавать большие мощности сигналов: в непрерывном режиме 105 Вт, в импульсном режиме – 107 Вт;
дают возможность передавать большие объемы информации за счет освоения диапазона частот вплоть до 1015 Гц;
обеспечивают возможность передачи информации на большие расстояния;
дают возможность регистрировать и исследовать быстропротекающие процессы (длительностью порядка 10-9 – 10-12с);
имеют малые массу и габариты, пониженное потребление энергии, надежность и долговечность, в том числе, за счет минитюаризации устройств.
Цель курса: изучить физические принципы работы радиоэлектронных узлов и устройств, нашедших широкое применение; освоить основные методы обработки радиотехнических сигналов: частотную фильтрацию, усиление, генерацию, модуляцию, детектирование, цифровую обработку.
Радиотехнические сигналы
1.1. Классификация сигналов
Информация – не материя и не энергия, поэтому для ее фиксации и передачи необходим материальный носитель – агент. Информация принудительно изменяет агент – модулирует его, после чего он становится материальным носителем информации – сообщением, сигналом. Таким образом, сигнал s(t) – процесс изменения во времени физического состояния какого-либо агента. В радиоэлектронике агентом служат электрические процессы и электромагнитные волны.
Сигналы, применяемые в радиоэлектронике, весьма разнообразны. Их разновидности можно классифицировать по следующим признакам.
1. По предсказуемости мгновенных значений в любые моменты времени различают сигналы детерминированные и случайные. У детерминированных сигналов мгновенные значения предсказуемы точно, т.е. значение сигнала в любой момент времени наперед известно. Мгновенное значение случайного сигнала предсказуемо с некоторой вероятностью.
2. По роли в передаче информации сигналы разделяются на полезные, те, которые несут интересующую нас информацию, и мешающие (шумовые помехи, сигналы несущие другую информацию).
3.По форме описания выделяют аналоговые и дискретные сигналы. Непрерывные (аналоговые) сигналы это те сигналы, которые описываются непрерывной функцией в заданном интервале изменения их мгновенных значений. Дискретными сигналами называются сигналы, которые принимают определенные значения в некоторые фиксированные моменты времени с некоторым шагом дискретизации.
Особую разновидность дискретных сигналов представляют цифровые сигналы. Они характеризуются тем, что каждому из множества взятых в фиксированные моменты времени с некоторым шагом дискретизации отсчетных значений аналогового сигнала ставится в соответствие число с ограниченным количеством разрядов.
1.2. Гармонические сигналы и их представление
Сигналы, которые описываются тригонометрическими функциями илиназываются гармоническими. Гармонический сигнал можно представить в виде
,
где – амплитуда;– круговая частота;– начальная фаза;– полная фаза (фазовый угол). Круговая частотасвязана с циклической частотойи периодом колебаниясоотношением.
Гармонические сигналы обладают замечательным свойством: результирующее колебание при линейных операциях – алгебраическом сложении любого числа гармонических колебаний одинаковой частоты, дифференцировании, интегрировании – есть гармоническое колебание той же частоты. Это свойство объясняет широкое применение гармонических сигналов в измерительной аппаратуре в качестве тестовых.
Техника определения параметров результирующего колебания значительно упрощается, если при описании гармонического сигнала вещественную тригонометрическую функцию заменить комплекснозначной экспоненциальной функцией. Вещественному сигналу ставится в соответствие комплексный сигнал:
,
где – мнимая единица;– комплексная амплитуда колебания. Она содержит информацию об амплитуде колебания и о его начальной фазе. Множительописывает временную зависимость колебания.
Поскольку при всех линейных операциях частота гармонического сигнала сохраняется и всегда известна, то остается анализировать только изменения, которые претерпевают амплитуда и фаза сигнала.
Для наглядности часто мгновенные значения комплексных амплитуд сигналов и результат их линейного преобразования изображают векторами на комплексной плоскости. Такое представление называется векторной диаграммой.
Представление гармонического сигнала в комплексной форме составляет основу метода комплексных амплитуд, который широко используется в радиотехнике и электротехнике при анализе линейных цепей.