Электрические сигналы. Разновидности, параметры, характеристики.

Электрические сигналы в электронных устройствах по своей физической сути можно разделить на аналоговые и дискретные. Аналоговые сигналы представляют собой непрерывные во времени функции напряжения или тока, и в свою очередь делятся на постоянные и переменные. Дискретными называются такие электрические сигналы, которые представляют собой разрывные во времени функции напряжения или тока и могут принимать ограниченное число уровней.

Синусоидальные сигналы: распространены наиболее широко; именно с помощью этих сигналов обеспечивается сетевое питающее напряжение 220 В. Математическое выражение, описывающее синусоидальное напряжение, имеет вид U =U_msin2πƒt,

где U_m – амплитуда сигнала, f – частота в циклах в секунду или в герцах. Бывает полезно переместить начало координат (t = 0) в точку, соответствующую произвольному моменту времени; в этом случае в выражение для синусоидального напряжения следует включить фазу U = U_m sin(2πƒt + фи). Можно также воспользоваться понятием угловая частота и переписать выражение для синусоидального сигнала в другом виде:U = U_m sin ωt, где ω - угловая частота в радианах в 1 с. ω = 2πf. Основное достоинство синусоидальной функции состоит в том, что эта функция является решением целого ряда линейных дифференциальных уравнений, выходных сигналов, каждый из которых порожден входными сигналами, действующими не в совокупности, а отдельно: если Вых. (А) - выходной сигнал, порожденный сигналом А, то для линейной цепи справедливо следующее равенство: Вых. (А + В) = Вых. (А) + Вых. (В). Если на входе линейной цепи действует синусоидальный сигнал, то на выходе также получим синусоидальный сигнал, но в общем случае его амплитуда и фаза будут другими. Частота синусоидальных сигналов лежит в диапазоне от нескольких герц до нескольких мегагерц.

Импульсные сигналы: электрическим импульсом называется напряжение или ток, отличающийся от нуля и имеющий постоянное значение лишь в течение короткого промежутка времени. Реальный импульс:

 

Основные характеристики и параметры:

1. Амплитуда импульса U_m = А; 2. Активная длительность импульса (измеряется на уровне 0,1А) t _И;

3. Крутизна фронта s _Ф = dU/dt ≈ U_m/t _Ф; 4. Крутизна спада s _СП = dU/dt ≈ U_m/t _СП; 5. Искажение вершины импульса ΔU; 6. Амплитуда обратного выброса U_{m ОБР};

7. Длительность обратного выброса t _{И ОБР}; 8. Мощность импульса P = W/t _И, где W – энергия импульса.

Периодически повторяющиеся импульсы образуют импульсную последовательность.

Её хар-ки и параметры:

1. Частота импульсной последовательности ƒ = 1/Т, где T = t _И + t _П; 2. Коэффициент заполнения γ = t _И /Т (диапазон изменения 0…1) и скважность Q = Т/t _И (диапазон изменения от до 1); 3. Среднее значение импульса.

Импульсы имеют различную форму: прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, так же могут быть однополярными и разнополярными. Однополярные импульсы могут быть положительными и отрицательными. Основные характеристики переменных электрических сигналов: переменный электрический сигнал в большинстве случаев представляет собой функцию времени u(t) с периодом T=1/f, которую можно записать в виде ряда Фурье: u(t) = U₀ + U_1max cos (ω₀t–φ₁) + U_2max cos (2ω₀t–φ₂) +U_3max cos (3ω₀t–φ₃) +…, где ω₀ = 2πƒ₀; φ₁, φ₂, φ₃,.– начальные фазы отдельных гармоник;U_1max, U_2max, U_3max,… – их амплитуды.

Основные понятия линейных электрических цепей. Аттенюаторы. Идеальные и реальные источники напряжения. Источники тока.

Электрическая цепь – цепь, в которой электрические сопротивления, индуктивности и электрические емкости участков не зависят от значений и направлений токов и напряжений в цепи. Элементы цепей разделяются на активные (способность отдавать электрическую энергию – источники эл. энергии, усилители и генераторы эл. сигналов) и пассивные (потребляют энергию – резисторы, катушки, конденсаторы).

Резистор: Сопротивление в зависимости от напряжения или тока может определяться либо в статическом режиме , либо в режиме малых приращений сигнала (дифференциальное сопротивление) Сопротивление двух последовательно соединенных резисторов равно . Сопротивление двух параллельно соединенных резисторов равно: .

Конденсатор:элемент, в котором энергия электрического тока превращается в энергию электрического поля. К. – это частотно-зависимый резистор. Конденсатор не пропускает постоянный ток, передача переменного сигнала состоит в периодическом заряде и разряде его пластин.

Катушка индуктивности: это элемент, в котором энергия электрического тока, превращается в энергию магнитного поля.

Трансформатор: пассивный элемент, состоящий из 2х связанных катушек индуктивности. Не усиливает мощность, работает только при переменном напряжении. Коэффициент передачи
𝐾= .

Функции:1. Изменение величины напряжения. 2. Изменение фазы сигнала. 3. Изменение формы выходного сигнала. 4. Гальваническая развязка-отсутствие связи по пост.току.

Аттенюаторы: делитель напряжения – позволяет получить на выходе напряжение, меньшее и пропорциональное входному:

 

Идеальный источник напряжения - блок,имеющий 2 вывода, между которыми он поддерживает постоянное напряжение назависимо от величины сопротивления нагрузки. Реальный источник напряжения не может дать ток, больший некоторого предельного максимального значения,и в общем случае он ведёт себя как идеальный источник напряжения, к которому последовательно подключён резистор с небольшим сопротивлением. У идеального источника напряжения его сопротивление рано 0, т.е. его выходное напряжение не зависит от тока.

Идеальный источник тока – блок,имеющий 2 вывода и поддерживающий постоянный ток во внешеней цепи независимо от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Его сопротивление равно бесконечности.