Рис. 1.21.Влияние количества гармоник на форму импульса
Углы, соответствующие взаимным сдвигам, определенные, например, относительно основной составляющей, называются фазовыми углами. Самую низкую частоту синусоидального колебания называют основной частотой. Она равна частоте данного прямоугольного колебания. Остальные синусоидальные составляющие, частоты которых являются кратными основной частоте, называются гармоническими составляющими.
Форма колебания, полученная путем суммирования синусоидальных составляющих, тем ближе к исходной, чем больше составляющих учитывается в этом процессе. Прежде всего это зависит от крутизны фронта и среза прямоугольного колебания. На практике в некоторых случаях достаточно учесть лишь несколько гармоник, а в других - при очень крутых фронте и срезе - недостаточно учета даже ста гармоник. В первом случае говорят, что частотный спектр сигнала является узким, во втором - широким. Прямоугольные колебания используют в таких областях, как цифровая и импульсная техника.
Что такое нелинейные искажения сигнала?
Это искажения, возникающие в схемах, содержащих нелинейные элементы. Гармонические нелинейные искажения связаны с появлением в выходном сигнале новых гармонических составляющих.
На рис. 1.22 приведены примеры нелинейных искажений для синусоидального сигнала. Видно, что искажения, вызывающие, например, срез вершин синусоиды, могут приводить к получению искаженного сигнала, форма которого близка к прямоугольному колебанию. Искажения этого типа зависят от амплитуды сигнала в данной схеме и обычно тем больше, чем больше амплитуда.
Количественно гармонические искажения определяются с помощью коэффициента гармоник или коэффициента нелинейных искажений. Этот коэффициент обозначается Kг и выражается в процентах. Например, в акустических устройствах содержание гармоник ограничивается несколькими процентами, а в устройствах высококачественного воспроизведения Kг < 1 %.
Рис. 1.22.Неискаженное (а) и искаженное (б, в) синусоидальные колебания
Что такое колебание пилообразной формы?
Это колебание, в котором изменение мгновенного значения протекает во времени по линейному закону (рис. 1.23). В общем случае времена нарастания Т1 и убывания Т2 мгновенного значения колебания не равны. В некоторых применениях одно из этих времен (обычно более длительное) называется рабочим или активным временем, а другое - временем возврата или пассивным временем.
Пилообразные колебания используются в телевидении, а также в устройствах с осциллографическими электронно-лучевыми трубками.
Рис. 1.23.Пилообразное колебание
Что такое шумовое колебание?
Это колебание, мгновенное значение которого изменяется во времени по случайному закону. Накладываясь на полезное колебание, оно может привести к нежелательным эффектам. Помимо внешних, посторонних помех, таких как помехи от сетей электропитания, радиостанций, атмосферных, существуют весьма нежелательные собственные помехи или шумы, возникающие внутри устройств и проявляющиеся в виде большого количества случайных импульсов со случайным распределением частот следования и фазовых углов. Это уже не периодический, а случайный, или вероятностный, процесс.
Большую роль играют тепловые и дробовые шумы. Первые возникают в элементах цепей и зависят от сопротивления элемента и его температуры, вторые - в полупроводниковых приборах и электронных лампах и связаны, в частности, со случайным движением носителей заряда или неравномерной эмиссией электронов из катода.
Уровень шумов определяется значением их средней энергии. Шумовые свойства схем и устройств часто определяют с помощью коэффициента шума.
Что такое электрический импульс?
Дать точное определение трудно. В общем можно принять, что определение "импульс" чаще всего относится к электрическому процессу с малым временем длительности, причем само определение "малое" является относительным. Оно мало по сравнению с временем, когда импульс отсутствует (например, с временем перерыва между двумя последующими импульсами). Часто определение "импульс" используется неправильно, по отношению к половине симметричного прямоугольного колебания, даже когда ее длительность относительно велика.
Импульсы могут быть положительными или отрицательными по отношению к некоторому уровню отсчета. Могут быть одиночными или повторяющимися. Повторение импульсов может быть непериодическим или периодическим. Примеры различных импульсов приведены на рис. 1.24.
Рис. 1.24.Примеры электрических импульсов
Какие параметры характеризуют электрический импульс?
Электрический импульс характеризуется следующими основными параметрами: длительностью, частотой повторения пиковым значением (амплитудой), временем нарастания, формой колебания.
Длительность импульса определяется обычно на уровне, соответствующем половине вершины (амплитуды) импульса (рис. 1.25).
Частота повторения импульсов выражается зависимостью
fи = 1/(Т1 + Т2) = 1/T.
Пиковое, среднее и действующее значения находят так же, как и для синусоидального колебания, но очевидно, что численные значения коэффициентов отличаются и зависят от параметров импульсов.
Рис. 1.25.Определение длительности импульса
Что называется временем формирования фронта импульса?
Время формирования фронта импульса определяет крутизну фронта (при заданном значении амплитуды), выраженную в единицах времени. Чаще всего его определяют как время, за которое мгновенное значение импульса нарастает от 10 до 90 % установившегося значения (рис. 1.26). Аналогично находят и время среза (от 90 до 10 %); время формирования фронта обычно обозначают tф. Невозможно создать импульсы с tф = 0, поскольку любое физическое явление, также и нарастание тока в цепи, требует определенного времени. Длительность фронта зависит от устройства, в котором импульс был сформирован, нот элементов этого устройства, Поэтому, если говорить точно, на практике могут существовать не прямоугольные, а лишь трапецеидальные импульсы. Однако название "прямоугольные" используется повсюду по отношению к импульсам с малым временем фронта и среза по сравнению с длительностью импульса.
Рис. 1.26.Определение длительности фронта и среза импульса
Что называется выбросом импульса?
Определение "выброс импульса" относится к той части прямоугольного импульса, на которой наблюдается короткое, но резкое увеличение мгновенного значения и которая предшествует вершине, т. е. той части импульса, для которой мгновенное значение постоянно или почти постоянно (рис. 1.27). Во многих применениях наличие выбросов является нежелательным эффектом.
Рис. 1.27.Форма импульса с выбросом
Что такое спектр электрических сигналов?
Основным электрическим сигналом является синусоидальный, который в "чистом" (неискаженном) виде представляет собой периодическое колебание, точно соответствующее одиночной синусоиде без гармонических составляющих. Прямоугольное колебание и другие периодические колебания, как уже указывалось выше, можно представлять с помощью суммы ряда (теоретически бесконечного) периодических колебаний с разными частотами, амплитудами и фазовыми углами. График, представляющий набор амплитуд отдельных гармонических составляющих колебания, называют его спектром (рис. 1.28).