Электроника для начинающих

В пределах нескольких сотен евро[4] можно купить подержанный инструмент аналогового типа или инструменты азиатских производителей, характеристики которых пропорциональны цене. Несколько лет назад преобладали аналоговые приборы, и, хотя современные приборы являются цифровыми, старые аналоговые приборы более предпочтительны, так как отображают более чистые и четкие сигналы без промежуточной обработки. Цифровые приборы преобразуют сигнал в последовательность битов с целью его обработки и отображения на плоском экране. В аналоговых осциллографах усиленный сигнал направляет «непосредственно» электронные лучи на экран. Каждый осциллограф характеризуется полосой пропускания: 10, 20… 50, 100 МГц. Полоса пропускания указывает на максимальную возможную частоту, или скорость сигналов, которые могут быть отображены.

В приложении я добавил информацию и ссылки, для построения простого осциллографа с помощью «Ардуино».

Работа с сигналами

Электроника – это искусство управления слабыми токами, то есть электрическими сигналами. Используя пассивные компоненты, такие как транзисторы и интегральные схемы, мы можем генерировать любой тип сигнала и изменять его по желанию: усиливать, ослаблять, соединять, отделять, очищать или загрязнять.

Для любителей Hi-Fi-аппаратуры сигналы должны быть чистыми и в точности соответствовать источнику. Принимать сигналы, изменяя их наименьшим образом – это очень сложная задача, несмотря на то, что кажется простой. По этой причине усилители хорошего качества стоят очень дорого. Реальные схемы всегда искажают сигналы, которые проходят через них. Иногда, наоборот, требуется радикально изменить сигнал для того, чтобы использовать его в других целях, например для управления различными схемами, для извлечения особых данных, скрытых в его «кривых».

Одним из простейших сигналов является синусоидальная волна, которую математики записывают формулой:

Волна = А · Sin (угол)

Слово «синус» обозначает функцию, что-то вроде черного ящика, куда мы можем внести число, чтобы получить результат, т. е. новое число. Внеся в ящик sin угол от 0° до 360°, мы получим ширину синусоидальной волны, то есть число, которое плавно проходит от одного до минус одного. Если угол превышает 360°, результат повторяется сначала: 361° дает тот же результат, что и 1°. При умножении функции sin на число А ее амплитуда будет колебаться в пределах от + А до – А. К функции sin мы должны добавить угол, который преобразуется в число. Если мы хотим создать угол, который изменяется с течением времени, мы можем написать:

Волна = А · sin(k · t)

Время обозначается буквой t, это переменное число, то есть количество секунд, прошедших от начального времени: t может составлять ноль секунд, одну секунду, две секунды и так далее. Буква к называется постоянной, и это число, которое не меняется и при умножении на время t производит угол, который растет более или менее быстро с течением времени, в зависимости от величины к.

В 1822 году физик и математик Жозеф Фурье после длинного ряда расчетов пришел к выводу, что сигнал в любой форме может быть выражен в виде суммы, даже бесконечной, синусоидальных волн. Даже ваша любимая песня может быть описана с помощью такой формулы как:

любимаяпесня = А₁ · sin (к₁ · t) + А2 · sin (к₂ · t) + A3 · sin (к₃ · t) + …

Помимо научных последствий этого открытия, Фурье пытался изобразить эти волны на конкретном графике, с частотой на горизонтальной оси и амплитудой на вертикальной оси. Каждая синусоида имеет характерную частоту и высоту, обозначенную коэффициентом А, таким образом мы можем изобразить ее в виде вертикальной линии на графике, называемой частотным спектром. Каждый электрический сигнал имеет двойственную природу и может рассматриваться как «то, что изменения с течением времени», а также как набор частот. Математический механизм для перехода от одного описания сигнала до другого называется преобразованием Фурье.

Рис. 6.3. Изображение сигнала, изменяющегося со временем (слева), и его эквивалентный спектр (справа)

Наиболее непосредственное применение этой теории мы можем видеть в волюметрах, которые можно найти в аудиоаппаратуре: последовательность столбиков, которые поднимаются и падают.

В следующих параграфах будут описаны некоторые из наиболее распространенных операций с сигналами и, по возможности, будут рассмотрены практические схемы.

Усилители

Наиболее распространенной операцией в области электроники является усиление сигналов. Сигналы исходят от датчиков или других цепей и могут быть очень слабыми. Сигналы, распространяющиеся в воздухе, проходят множество километров, прежде чем достигнуть приемника, где имеют силу тока в несколько микроампер. Иногда мы воспринимаем только шум, который является не чем иным, как электрическим сигналом. Целью усилителя заключается правильное увеличение амплитуды сигнала, без изменения первоначальной формы: это главная проблема поклонников приборов с высокой точностью.