Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Семенов Борис Юрьевич - Страница 17

При частотной модуляции сохраняется постоянство амплитуды задающего генератора, а меняется только его частота. ЧМ сегодня используется на УКВ-диапазонах, где с ее помощью передается сигнал радиовещательных станций, а также звуковое сопровождение телевизионного сигнала.

Фазовая модуляция (ФМ) используется в основном в профессиональной радиосвязи, поэтому мы не будем рассматривать ее особенности — она несущественно отличается от ЧМ.

Чтобы преобразовать модулированное высокочастотное колебание в звуковое, нужно его демодулировать. Смодулировать AM колебание очень просто — достаточно «отрезать» его отрицательные полупериоды, как показано на рис. 10.34.

Рис. 10.34. Демодуляция AM колебаний

Сделать это можно с помощью простейшего амплитудного детектора, изображенного на том же рисунке. В амплитудном детекторе диод VD выполняет роль «ножниц», отрезающих отрицательные полупериоды, а элементы RC выделяют огибающую AM колебания — фильтруют высокую частоту и пропускают на выход детектора звуковое колебание.

Демодуляция ЧМ-колебания несколько сложнее. Чтобы услышать звук, нужно сначала ЧМ-колебание с помощью специальной схемы преобразовать в AM колебание и уже после этого детектировать амплитудным детектором, описанным выше.

Вы хорошо знаете, что сегодня в эфире работает множество радиостанций. Но почему они не мешают друг другу? Потому что радиоприемник обладает свойством селективности — может выделять нужную частоту электромагнитной волны и отстраиваться от частот, мешающих в данный момент. Электротехническое устройство, обеспечивающее это свойство, называется колебательным контуром. Простейший колебательный контур состоит всего из двух элементов — катушки индуктивности и конденсатора. И тем не менее эта простая схема обладает массой замечательных свойств. Каких? Об этом мы сейчас поговорим.

В 1842 г. Джозеф Генри обнаружил колебательный характер разряда Лейденской банки. Этот год можно считать годом изобретения колебательного контура. Давайте мысленно повторим, правда, немного модернизировав, опыт Генри.

Нам понадобится гальванический элемент, конденсатор, катушка индуктивности, конденсатор и переключатель на два положения. Соберем из этих нехитрых элементов схему, изображенную на рис. 10.35, и установим ключ К в положение «1».

Рис. 10.35. Способ получения свободных колебаний в LC-контуре

Конденсатор С начнет заряжаться от гальванического элемента G до разности потенциалов, равной по величине напряжению G. Затем переключим ключ К в положение «2». Конденсатор будет разряжаться через катушку индуктивности L. Характер этого разрядного процесса будет колебательным! Давайте разберемся почему.

Мы знаем, что конденсатор имеет свойство сохранять заряд в первый момент времени после переключения, так же как и индуктивность сохраняет значение тока. В первый момент вся энергия сосредоточена в конденсаторе (рис. 10.36, а). Далее она начинает «перетекать» в катушку индуктивности: напряжение на конденсаторе падает, а ток в катушке нарастает. В какой-то момент времени окажется, что напряжение на конденсаторе станет равным нулю, а в катушке ток достигнет максимума (рис. 10.36, б). Электрическая энергия конденсатора превратилась в энергию магнитного поля катушки индуктивности!

Потом ток начнет уменьшаться, но возникающая ЭДС самоиндукции стремится воспрепятствовать изменению тока. Поэтому ток в катушке имеет то же направление, но «заряжает» конденсатор в обратной полярности. При достижении током нулевого значения конденсатор приобретет максимальный заряд (рис. 10.36, в) и энергия магнитного поля вновь превратится в электрическую!

Следующие два преобразования энергии (рис. 10.36, г и а) пройдут точно так же, за исключением своей «зеркальности» к первым двум.

Рис. 10.36. Пояснение колебательного процесса в LC-контуре

Если взглянуть на рис. 10.37, отражающий значения напряжения, на конденсаторе и тока в катушке индуктивности в любой момент времени, то окажется, что в контуре возникло синусоидальное колебание.

Рис. 10.37. Изменение тока и напряжения в колебательном контуре

Теоретически, однажды возникнув, колебание в контуре LC не должно затухнуть. Однако реальные контуры обладают потерями, среди которых — активное сопротивление проводника катушки индуктивности, токи утечки конденсатора и другие составляющие. Влияние потерь сказывается на том, что при взаимном «перетекании» энергии между катушкой индуктивности и конденсатором часть ее не доходит до «адресата», теряется по дороге. Чем больше потери, тем быстрее затухают колебания.

Видели ли вы когда-нибудь, как проверяют в магазине целостность посуды?

Очень просто — по ней тихонько ударяют деревянной палочкой. Посуда без трещин и внутренних дефектов издает красивый звон. А посуда с трещинами глухо «квакает». Объясняется этот способ просто — ровная, бездефектная структура обладает малыми потерями и колеблется долго. Структура же с неоднородностями в виде трещин, сколов мешает колебательным процессам. Точно так же ведет себя и колебательный контур.

У читателя может сложиться мнение, что контур с малыми потерями — хороший контур/а с высокими потерями — контур плохой. Мнение совершенно неправильное! Порой контур с высокими потерями обеспечивает нормальное функционирование прибора, а «звенящий» контур, установленный на то же место, до неузнаваемости нарушит работу. Иногда требуется совершенно конкретная величина потерь — не больше и не меньше. Чтобы как-то охарактеризовать эти потери, была введена важная характеристика контура — добротность.

Высокодобротные контуры «звенят» долго, низкодобротные — мало.

Как вы думаете, можно ли определить частоту колебаний в контуре? Зависит ли она от номиналов емкости и индуктивности? Вне всякого сомнения — зависит, да еще как! Частота свободных колебаний в контуре без потерь (в Гц) определяется по формуле Томсона:

где L — индуктивность катушки в генри (Гн);

С — емкость конденсатора в фарадах (Ф).

Частота колебаний в контуре с потерями немного отличается от частоты колебаний в контуре без потерь. Однако это различие столь незначительно, что на практике им просто пренебрегают.

Для расчетов более удобно пользоваться таким представлением этой формулы, которое позволяет получать значения частоты сразу в мегагерцах (МГц):

где L — индуктивность катушки в микрогенри (мкГн);

С — емкость конденсатора в пикофарадах (пФ).

Из этой формулы мы можем также определить, какие параметры индуктивности или емкости надо установить в контур, чтобы получить резонанс на нужной нам частоте:

где f — частота в мегагерцах (МГц);

L — индуктивность катушки в микрогенри (мкГн);

С — емкость конденсатора в пикофарадах (пФ).