Дипломная работа: Методика ознакомления учащихся с принципами радиосвязи

Министерство образования и науки Республики Казахстан Казахский Женский Педагогический Университет

Физико-математический факультет

Кафедра физики

 

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Методика ознакомления учащихся с принципами радиосвязи

 

 

 

 

 

 

физика

 

 

Алматы 2009

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………… 5

Раздел 1. Электромагнитные волны……………………………………………… 6

• Электромагнитное поле……………………………………………………… 7
• Излучение электромагнитных волн……………………………………… 11

Изобретение радио А.С. Поповым……………………………………………….. 13

1.3.             Принципы радиосвязи………………………………………………. 16

Амплитудная модуляция и детектирование…………………………………… 17

1.4.             Распространение радиоволн……………………………………….. 20

Радиолокация……………………………………………………………………………. 21

1.5.             Понятие о телевидении……………………………………………… 23

Раздел 2. Радиопередатчики и радиоприемники…………………………

• Радиопередатчики……………………………………………………….
• Радиоприемники……………………………………………………………

Заключение……………………………………………………………………………

Приложение…………………………………………………………………………..

Список использованной литературы………………………………..

 

Введение

 

Изобретение радиосвязи — одно из самых выдающихся достижений человеческой мысли и научно — технического прогресса. Потребность в совершенствовании средств радиосвязи, в частности установлении связи без проводов, особенно остро проявилась в конце XIX в., когда началось широкое внедрение электрической энергии в промышленность, сельское хозяйство, связь, на транспорте (в первую очередь морском) и т.д. Мы считаем, что наша тема актуальна и в наше время, т.к. нельзя представить нашу жизнь без радио, телевизора, спутникового телевидения, интернета и сотовых телефонов. Поэтому необходимо давать учащимся более обширный материал, но также нужно учесть, что материал должен был написан на более простом, доступном языке, для лучшего усвоения, чтобы они без затруднений могли пользоваться теми приборами, которые имеют связь с радиосвязью.

Методических пособии очень мало. В школьных учебниках не рассматриваются такие вопросы как, излучение электромагнитных волн, амплитудная модуляция и детектирование. Наша дипломная работа состоит из методической разработки для учителей.

 

1. Электромагнитные волны

СВЯЗЬ   МЕЖДУ   ПЕРЕМЕННЫМ   ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ   ПОЛЕМ   И

ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

При изучении электрических колебаний мы пользовались законами электродинамики, о которых было рассказано в курсе физики IX класса. С электромагнитными волнами дело обстоит иначе. Их существование возможно только потому, что электромагнитное поле обладает еще одним, открытым Максвеллом, важным свойством, о котором пока не было рассказано.

Мы уже знаем, что в явлении электромагнитной индукции Максвелл
увидел порождение вихревого электрического поля переменным магнитным
полем. При изменении со временем магнитной индукции В возникает
электрическое поле, линии напряженности которого охватывают линии
магнитной индукции (рис.1 а). Чем быстрее меняется магнитная индукция,
тем больше напряженность электрического поля. В соответствии с правилом
Ленца при возрастании магнитной индукции направление напряженности Е
электрического поля образует левый винт с направлением вектора В. Это
означает, что при вращении винта с левой нарезкой в направлении силовых
линий электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с
направлением магнитной индукции. Далее Максвелл сделал следующий и
последний шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля. Он
поставил вопрос: если переменное магнитное поле порождает электрическое
поле, то не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное
электрическое поле в свою очередь порождает магнитное? Это соображение,
диктуемое уверенностью в единстве природы, во внутренней стройности и
гармонии законов природы, составляет основу гипотезы Максвелла.
Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе:
во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно
порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля
охватывают линии напряженности электрического поля (рис. 1 б). В отличие
от явления электромагнитной индукции при возрастании напряженности
электрического поля направление магнитной индукции В образует правый
винт с направлением вектора Е. Согласно гипотезе Максвелла магнитное
поле, например, при зарядке конденсатора создается не только током в
проводнике, но порождается и изменяющимся электрическим полем в
пространстве между обкладками конденсатора (рис. 2). Причем
изменяющееся электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если
бы между обкладками существовал электрический ток, равный току в
проводнике. Справедливость гипотезы Максвелла была доказана
экспериментальным          обнаружением          электромагнитных          волн.

Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь порождает магнитное поле.

6

 

Рис.1                                                                        Рис. 2

1.1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособлен-_; но, независимо одно от другого.

Нельзя создавать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и переменное электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного поля.

Не менее важно, что электрическое поле без магнитного или магнитное без электрического могут существовать лишь по отношению к определенной системе отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое поле (рис. 3). Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других систем отсчета он будет двигаться и, следова­тельно, создавать и магнитное поле (рис. 4).

Точно так же лежащий на земле магнит создает лишь магнитное поле, но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле (в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции).

7

 

Рис. 3                              Рис. 4

Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчета, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчета это поле может быть обнаружено.

Электрические и магнитные поля являются проявлениями единого целого, которое может быть названо электромагнитным полем. Электромагнитное поле — особая форма материи. Оно существует реально, т. е. независимо от нас, от наших знаний о нем.

В зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны единого целого — электромагнитного поля. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Поэтому ни одна из конфигураций электромагнитного поля не имеет преимуществ по сравнению со всеми остальными. КАК ПЕРЕДАЮТСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся найденные Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении: они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены. Если бы каждый закон содержал в себе лишь те факты, из которых он выведен, то законов было бы столько же, сколько явлений природы. Вместо современной науки мы имели бы необозримое скопление сведений о наблюдаемых в природе процессах, но ничего не смогли бы предсказать. Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

8

 

Рис. 5

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может. Ведь один заряд непосредственно через пустоту «чувствует» присутствие другого.

По Максвеллу же, дело обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т. д.

Схематически этот процесс изображен на рисунке 5. Переменное магнитное поле с линиями индукции В порождает вихри электрического поля с линиями напряженности Е. Это электрическое ноле создает магнитное поле с линиями индукции В\ и т. д.

Существенно, что возникающие вихри магнитного или электрического поля гасят поля в тех областях пространства, где они уже имелись, но захва­тывают новые области пространства. Все происходит по тем правилам определения направления полей. Если бы направления вихревых полей Ей В, создаваемых переменными магнитными и электрическими полями, определялись одним и тем же правилом, то закон сохранения энергии был бы нарушен.

Созданное в определенном месте пространства магнитное поле нарастало бы со временем, распространяясь одновременно во все стороны.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие небольшие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на Него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью.

9

 

 

 

Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса  равна  скорости  света  в  пустоте.  Вот  новое  фундаментальное свойство поля, которое делает его осязаемой реальностью. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д.

В окружающем заряд пространстве, захватывая псе большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу. На рисунке 6 изображен «моментальный снимок» такой систему полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем т. е. что они движутся с ускорение м. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, то и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Векторы Е и В в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора Е к вектору В, то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с.

Рис.6

10

 

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обнаружения Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

1.2 ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей: изменение одного поля приводит к появлению другого. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.

При этом условии напряженность электрического ноля Е и индукция магнитного поля В будут меняться быстро.

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. Обычный контур, какой изображен      на     рисунке      27      (его      можно      назвать      закрытым),

представляет собой почти замкнутую электрическую цепь, в которой сила тока в данный момент времени одинакова во всех участках цепи. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.

Каждому участку витка катушки контура соответствует близко расположенный участок на противоположном конце диаметра витка, по которому ток течет в противоположном направлении. На большом расстоянии от витка эти участки создают магнитные поля, индукции которых почти равны по модулям и направлены в противоположные стороны. В результате вдали от контура поля ослабляют друг друга, так что магнитное поле оказывается сосредоточенным лишь внутри катушки. Так же обстоит дело с электрическими полями зарядов на обкладках конденсатора. Заряды равны по модулям и противоположны по знаку. Почти все электрическое поле сосредоточено между пластинами, а вдали от них поля зарядов противоположных знаков почти цели ком компенсируют друг друга.

11

 

Для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь, и одновременно уменьшать число витков в катушке. В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика.

В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посередине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.)

Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Провод разрезали посередине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра, цепь замы­калась, и в открытом контуре возникали колебания.

Создаваемые отдельными участками вибратора электрические и магнитные поля не компенсируют друг друга на больших расстояниях от вибратора.

Колебания в контуре будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, оба проводника вновь заряжаются от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала.

В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром лампового генератора.

Электромагнитная энергия, излучаемая вибратором в единицу времени, очень сильно зависит от частоты колебаний электрического тока. Эту зависимость можно установить из следующих соображений. Энергия электромагнитной волны пропорциональна сумме квадратов напряженности Е электрического поля и магнитной индукции В . Энергия, излучаемая в единицу времени, пропорциональна четвертой степени частоты.

При увеличении частоты колебаний всего лишь в два раза излучаемая энергия возрастает в 16 раз.

12

 

ОПЫТЫ ГЕРЦА. СКОРОСТЬ   ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ   ВОЛН

Герц получил электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно. В электромагнитной волне векторы перпендикулярны друг другу, причем вектор /f лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен этой плоскости. Линии электрического и магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии магнитного поля, а в вертикальной — линии электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси ви­братора. Вдоль оси излучения не происходит.

Регистрировались электромагнитные волны Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего робой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, то наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой.

Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и интерференцию волн. При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуется стоячая волна. Перемещая приемный вибратор, можно найти положение пучностей стоячей волн^{ы и}

СТОЯНИЮ

определить длину волны. Длина волны равна удвоенному рас  между

В    опытах    Герца   длина   волны    составляла    несколько    десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле v = Xv. Она оказалась равной скорости света с~ = 300 000 км/с. Опыты Герца блестяще подтвердили теоретические предсказания Максвелла.

ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО А. С. ПОПОВЫМ

Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Многие ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн.

В России одним из первых занялся изучением электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца,

13

 

он затем нашел более надежный и чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные полны, А. С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие, металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с. другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые сваривают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает (в опытах А. С.Попова— с 100 000 Ом до 1000—500 Ом, т. е. в 100— 200 раз). Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, встряхнув его. Чтобы обеспечить автоматичность приема, необходимую для осуществления беспроволочной связи, А. С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрического звонка замыкалась через когерер в момент прихода электромагнитной волны.

С окончанием приема волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашке, но и по когереру. Аппарат был готов к приему новой волны.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приемную антенну. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.

Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник А. С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электрические колебания. Как и в приемнике Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими по­следующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью электронных ламп и полупроводниковых приборов.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося по сути дела первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио. А. С. Попов продолжал настойчиво совершенствовать приемную и передающую аппаратуру. Он ставил своей непосредственной задачей построить прибор для передачи сигналов па большие расстояния.

14

 

В декабре 1897 г. ученый продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества передачу и прием первой в мире радиограммы.

Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии всего 250 м. Неустанно работая над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 г. дальность радиосвязи была уже 150 км. Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика. Искровой промежуток был размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и на встроенном с ней в резонанс. Существенно изменились и способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В 1899 г. Была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона. В начале 1900 г. радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финском заливе.

Рис.7

15

 

1.3 ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ

Принцип радиосвязи заключается в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. лампового генератора незатухающих электромагнитных колебаний .

Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, что если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются.

Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает ламповый генератор. Для передачи звука эти колебания изменяют, или, как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией. На рисунке показаны графики колебаний высокой частоты — ее называют несущей частотой (а), колебаний звуковой частоты (б) и модулированных по амплитуде колебаний (в).

В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют демодуляцией или детектированием Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты превращают в звук или используют для других целей.

16

 

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Амплитуду вырабатываемых ламповым генератором высокочастотных колебаний можно модулировать посредством изменения разности потенциалов между электродами лампы генератора, например между анодом и катодом. Чем больше напряжение между анодом и катодом триода, тем больше сила тока в анодной цепи и соответственно большая энергия поступает за период от источника в колебательный контур генератора. Это приводит к увеличению амплитуды электрических колебаний в контуре. При уменьшении анодного напряжения энергия, поступающая за период в контур, также уменьшается, и поэтому уменьшается амплитуда колебаний в контуре.

Если менять анодное напряжение с частотой, много меньшей частоты колебаний, вырабатываемых генератором, то изменения амплитуды этих колебаний будут приблизительно прямо пропорциональны изменениям напряжения между анодом и катодом. Для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного анодного напряжения дополнительный источник переменного напряжения низкой частоты. Этим источником может являться, например, вторичная обмотка трансформатора, если по его первичной обмотке протекает ток звуковой частоты. В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре генератора будет изменяться в такт с изменениями анодного напряжения. Это и означает, что высокочастотные колебания модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом.

Временную развертку модулированных колебаний можно не­посредственно наблюдать на экране осциллографа, если подать на него напряжение с колебательного контура. Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют частотную модуляцию — изменение частоты колебания в соответствии с управляющим сигналом. Ее преимуществом является большая устойчивость по отношению к помехам.

Рис 8

17

 

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Принятый приемником модулированный высокочастотный сигнал даже после усиления не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вызвать только высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необходимо сначала из высокочастотных модулированных колебаний выделить сигнал звуковой частоты.

Детектирование осуществляется устройством, содержащим элемент с односторонней проводимостью — детектор. Таким элементом может быть электронная лампа (вакуумный диод, триод) или полупроводниковый диод.

Рассмотрим работу полупроводникового детектора. Пусть этот прибор включен в цепь последовательно с источником модулированных колебаний и нагрузкой. Ток в цепи будет течь преимущественно в одном направлении, отмеченном на рисунке стрелкой, Так как сопротивление диода в прямом направлении много меньше, чем в обратном. Мы вообще можем пренебречь обратным током и считать, что диод обладает односторонней проводимостью. Вольт-амперную характеристику диода приближенно можно представить в виде ломаной, состоящей из двух прямолинейных отрезков.

В цепи, показанной, будет течь пульсирующий ток, график которого показан на рисунке. Этот пульсирующий ток сглаживается с помощью фильтра. Простейший фильтр представляет собой конденсатор, присоединен­ный к нагрузке. Работа фильтра происходит так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его (сплошные стрелки). Разветвление тока уменьшает величину импульсов, проходящих через нагрузку. Зато в промежутке между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону (пунктирная стрелка). Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор.

 

 

 

Рис.9

18

 

НАБЛЮДЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по обнаружению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона, излучае­мыми специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Колебания генератора модулируют звуковой частотой, так ‘чтобы принятый сигнал после детектирования можно было подать на громкоговоритель. Электромагнитные волны сантиметрового диапазона хорошо распространяются внутри проводящей трубы прямоугольного сечения — в волноводе. В конце труба расширяется, образуя рупор, излучающий радиоволны в направлении оси трубы. Приемная антенна представляет собой такой же рупор, улавливающий волны, которые распространяются вдоль его оси. Приемный рупор переходит в волновод, оканчивающийся детекторным устройством. Общий вид установки изображен на рисунке.

Для обнаружения поглощения и рассеяния волн располагают рупоры друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкогово­рителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом замечают уменьшение громкости.

Если же диэлектрик заменить металлической пластинкой, то волны не достигают приемника вследствие отражения. Звук не слышен. Отражение происходит под углом, равным углу падения. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают иод одинаковым углом к большому металлическому листу. Звук исчезает, если убрать лист или повернуть его.

Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами: векторы Е и В электромагнитного поля волны перпендикулярны направлению ее распро­странения. В опытах с генератором СВЧ каждый из векторов расположен в определенной плоскости. Такие электромагнитные волны называются поля­ризованными. Приемный рупор с детектором принимает только поляризован­ную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90 . Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку располагают так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. В одном из положений электрический вектор параллелен стержням. В них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошной металли­ческой пластине. В другом положении вектор Е перпендикулярен стержням. Токи не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

19

 

1.4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагаются вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100—300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых им.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с ддкной аодкы 10—15 м, как обычкая металлическая, ппастана. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т. е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны). Короткие волны (100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн (100—10 м) можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой. Все же наиболее надежная радиосвязь на ограниченных расстояниях при достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на длинных волнах.

Ультракороткие радиоволны (10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.

Рис. 10                                                                                           20

 

РАДИОЛОКАЦИЯ

В современной технике явление отражения радиоволн различными препятствиями находит широкое применение. Высокочувствительные приемники улавливают и усиливают отраженный сигнал с целью получить информацию о том, где находится тот предмет, от которого отразилась волна.

Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией. Радиолокационная установка (радиолокатор) состоит из передающей и приемной частей. В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты. Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну. В радиолокаторах, работающих на длинах волн порядка 10 см и меньше, такая волна создается антеннами в виде параболических зеркал. Для волн метрового диапазона антенны имеют вид сложных систем вибраторов. При этом острая направленность излучения получается вследствие интерференции волн. Антенна устроена так, что волны, посланные каждым из вибраторов, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направлениях при сложении волн происходит полное или частичное их взаимное гашение.

Отраженная волна улавливается той же излучающей антенной либо другой, тоже остронаправленной приемной антенной. Ярко выраженная направленность излучения позволяет говорить о «луче» радиолокатора. Направление на объект и определяется как направление луча в момент приема отраженного сигнала.

Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения. Передатчик излучает волны кратковременными импульсами. Длительность каждого импульса составляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами примерно в 1000 раз больше. Во время пауз принимаются отраженные волны.

Определение расстояния R производится путем измерения общего времени t прохождения радиоволн до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с = 3-10 м/с в атмосфере практически постоянна.

Вследствие рассеяния радиоволн до приемника доходит лишь ничтожная часть той энергии, которую излучает передатчик. Поэтому приемники радиолокаторов усиливают принятый сигнал в миллионы миллионов (10 ) раз. Такой чувствительный приемник, разумеется, должен быть отключен на время посылки импульса передатчиком. Однако мгновенная мощность передатчика во время посылки импульса так велика (десятки, сотни и даже тысячи киловатт), что влияние передающего устройства полностью не устраняется.

21

 

Поэтому в момент передачи светлая точка, равномерно движущаяся по экрану электроннолучевой трубки, отклоняется. На экране появляется всплеск около нулевой отметки шкалы дальности. Светящееся пятнышко на экране продолжает равномерно двигаться вдоль шкалы и в момент приема слабого отраженного сигнала снова отклоняется. Расстояние между всплесками на экране пропорционально времени t прохождения сигнала и, следовательно, пропорционально расстоянию R до цели. Это позволяет проградуировать шкалу непосредственно в километрах.

Радиолокационные установки обнаруживают корабли и самолеты на расстояниях до нескольких сот километров. На их работу мало влияют условия погоды и время суток. В больших аэропортах локаторы следят за взлетающими и идущими на посадку самолетами. Наземная служба передает по радио пилотам необходимые указания и таким образом обеспечивает безопасность полетов. Корабли и самолеты также снабжены радио­локаторами, служащими для навигационных целей. Такие локаторы создают на экране картину расположения объектов, рассеивающих радиоволны. Оператор имеет перед глазами радиолокационную карту местности.

В настоящее время применение радиолокации становится все более разнообразным. С помощью локаторов наблюдают метеоры в верхних слоях атмосферы. Локаторы используются службой погоды для наблюдения за облаками. Наконец, локаторы используются в космических исследованиях. Каждый космический корабль обязательно имеет на борту несколько радиолокаторов. В ‘1946 г. в США и Венгрии был осуществлен эксперимент по приему сигнала, отраженного от поверхности Луны. В 1961 г. советскими учеными произведена радиолокация планеты Венера, что позволило оценить период вращения планеты вокруг своей оси и уточнить некоторые астрономические расстояния. В настоящее время осуществлена локация и других планет солнечной системы.

Рис. 11

22

 

1.5 ПОНЯТИЕ О ТЕЛЕВИДЕНИИ

Бурно развивается сравнительно молодая область радиоэлектроники — телевидение.

Принцип передачи изображений па расстояние состоит в следующем. На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Эти сигналы модулируют затем колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике и производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал пре­образуется в видимое изображение. Для передачи движения используют принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передают десятки раз в секунду.

Преобразование изображения кадра в серию электрических сигналов производится с помощью передающей вакуумной электронной трубки — иконоскопа. Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на который проецируется изображение объекта с помощью оптической системы. Каждая ячейка мозаики заряжена, и ее заряд зависит от падающей на ячейку световой энергии. Этот заряд меняется при попадании на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает на все элементы одной строчки мозаики, затем другой и т. д. От того, насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в импульсе, протекающем по резистору (сопротивлению) R. Поэтому напряжение на резисторе R изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра.

Такой же сигнал получается в телевизионном приемнике после детектирования. Это видеосигнал. Он преобразуется в видимое изображение на экране приемной вакуумной электронной трубки — кинескопа. Электронная пушка такой трубки снабжена электродом, управляющим количеством электронов в пучке и,

23

 

следовательно, свечением экрана и месте попадания луча. Системы катушек горизонтального и вертикального отклонения заставляют электронный луч обегать весь экран точно таким же образом, как электронный луч обегает мозаичный экран в передающей трубке. Синхронность движения лучей в передающей и приемных трубках достигается посылкой специальных синхронизирующих сигналов.

Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких волн. Такие волны распространяются обычно лишь в пределах прямой видимости антенны. Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики чаще и поднимать их антенны выше. Останкинская телевизионная башня в Москве высотой 540 м обеспечивает уверенный прием телепередач в радиусе 120 км. В настоящее время телевизионная сеть в нашей стране насчитывает более 1000 вещательных станций В стране имеются десятки миллионов телевизионных приемников (телевизоров). Зона уверенного приема телевидения непрерывно увеличивается, особенно благодаря использованию ретрансляционных спутников. В пашей стране создается единая автоматизированная система связи. Для этого непрерывно развиваются, совершенствуются и находят новые области применяется различные технические средства связи.

Так, еще недавно междугородная телефонная связь осуществлялась исключительно по воздушным линиям связи, чувствительным к грозам и гололеду. В настоящее время повышается уровень автоматизации такой связи и все шире применяются кабельные и радиорелейные линии.

Радиорелейные линии связи используют ультракороткие (дециметровые и сантиметро­вые)волны.     Эти     волны

распространяются     в
пределах                                                                                                  прямой

видимости.     Поэтому липни      состоят     из цепочки маломощных  радиостанций, каждая

из которых передает сигналы к соседней как бы по эстафете. Такие станции имеют мачты высотой 60—80 м, находящиеся на расстоянии 40—60 км друг от друга.

Достижения  в  области  радиорелейных  и кабельных линий не решают всех проблем связи. Достижения в области космической радиосвязи позволили    создать    новую    систему    связи «Орбита».

24

 

2. Радиопередатчики и радиоприемники 2.1. Радиопередатчики

В радиопередатчике энергия постоянного тока или переменного тока промышленной частоты (50 гц) преобразуется в энергию токов высокой частоты, которая с помощью антенны, излучается в пространство в виде электромагнит­ных волн.

Токи высокой частоты создаются (генерируются) с помощью ламповых генераторов, которые являются преобразователями электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Основными де­талями генераторов являются электронные лампы и колебательные контуры. Мощности генераторов могут быть от долей ватта до тысяч киловатт.

На рис. изображена структурная схема радиопередатчика. В нее входят следующие элементы: задающий генератор (возбудитель), который служит для генерирования токов высокой частоты; усилитель мощности, предназначенный для усиления генерируемых задающим генератором колебаний (получения заданной мощности высокой частоты); антенно-фидёрное устройство, предназначенное для излучения радиоволн; устройство, управляющее колебаниями высокой частоты (манипулятор, например телеграфный ключ при передаче телеграфных знаков, модулятор при передаче речи или музыки); источники питания. Основные электрические показатели, характеризующие передатчик, следующие:

Рис. Структурная схема радиопередатчика.

25

 

диапазон волн, в пределах которого должен работать передатчик (в зависимости от его назначения);

мощность передатчика — мощность колебаний в антенне, от которой зависит дальность и надежность радиосвязи;

коэффициент полезного действия — отношение мощности передатчика (Р_ат) ко всей потребляемой мощности от источников питания (Рпотр).

Стабильность и точность установки частоты, определяющие в значительной мере надежность связи; отсутствие заметных искажений при передаче сигнала.

В передатчиках используются ламповые генераторы с самовозбуждением, в которых высокочастотные колебания генерируются автоматически (без всякого воздействия со стороны), и генераторы с независимым (посторонним) возбуждением, в которых генерирование колебаний высокой частоты происходит в результате воздействия постороннего возбудителя (генератора с самовозбуждением).

Задающий генератор (возбудитель) представляет собой ламповый генератор высокой частоты с самовозбуждением.

Принцип работы лампового генератора с самовозбуждением состоит в превращении свободных затухающих колебаний в колебательном контуре в незатухающие путем восполнения потерь энергии в колебательном контуре за счет анодного тока электронной лампы, в анодную цепь которой включен данный колебательный контур. Это достигается с помощью обратной связи  между анодной цепью и цепью сетки.

Основным    условием    получения    незатухающих    колебаний    является восполнение потерь энергии колебательного контура. Схема лампового В такт с колебаниями в нем. Для генератора с самовозбуждением этого с помощью обратной связи Сигнал колебательного контура:

26

 

Частота колебаний генератора с самовозбуждением зависит от индуктивности и емкости его колебательного контура и определяется по формуле

 »

где /о — частота собственных колебаний контура; L_K — индуктивность контура; С_к — емкость контура.

Генераторы высокой частоты с самовозбуждением часто называют автогенераторами.

Рис. Способы связи колебательного контура с управляющей сеткой: а — трансформаторная:   б — автотрансформаторная;   в — емкостная.

Усилитель мощности. Роль усилителя мощности выполняют генераторы с посторонним возбуждением. Это постороннее возбуждение поступает от задающего генератора — генератора с самовозбуждением.

Принцип работы лампового генератора с посторонним возбуждением состоит в использовании колебательного контура, включенного в анодную цепь в качестве переменного реактивного сопротивления. На контуре образуется падение переменного напряжения за счет переменной составляющей анодного тока, возникающей при подаче переменного напряжения на управляющую сетку лампы.

Переменное напряжение на зажимах контура вызывает появление в контуре вынужденных колебаний. Чем больше переменное напряжение на зажимах контура, тем больше амплитуда вынужденных колебаний в контуре. Максималь­ную амплитуду колебаний в контуре можно получить при наибольшем переменном напряжении на зажимах контура, что достигается настройкой колебательного контура (с помощью конденсатора переменной емкости) в резонанс с подводимыми колебаниями (резонанс токов). Момент наступления резонанса определяют по наибольшему току в контуре.

 

Колебания в анодном контуре получаются значительно большей мощности, чем в цепи сетки, т. е. происходит усиление мощности колебаний.

В передатчике в зависимости от его назначения может быть несколько ступеней усиления. Первые каскады усиления называются промежуточными. Они служат для увеличения амплитуды колебаний задающего генератора до уровня, необходимого для возбуждения выходного каскада; для повышения частоты генерируемых колебаний; для развязки задающего генератора и выходного каскада, режим которого резко изменяется при модуляции.

В промежуточных каскадах коротковолновых передатчиков часто осуществляют умножение частоты путем настройки контура в анодной цепи промежуточного каскада на вторую или третью гармонику, т. е. на частоту в два или три раза более высокую, чем частота возбудителя. При умножении частоты легче обеспечить ее стабилизацию, так как при этом уменьшается влияние анодной цепи на цепь сетки, что увеличивает устойчивость работы схемы. Но к. п. д. каскада в режиме умножения ниже, чем в режиме усиления.

Выходные каскады передатчиков могут быть связаны с антенной путем непосредственного включения антенны в анодную цепь лампы (простая схема выхода) и при помощи включенного в анодную цепь колебательного контура, настроенного на частоту переменного напряжения на сетке, и связанного с антенной (сложная схема выхода).

В усилителях мощности обычно применяют пентоды (или тетроды), так как они обладают значительно меньшей емкостью между анодом и управляющей сеткой, чем триоды, и позволяют получить большую мощность колебаний в анодном контуре. Большая емкость между сеткой и анодом приводит к увеличению связи между контурами усилителя и возбудителя, что отрицательно влияет на стабильность частоты задающего генератора. Маломощные генераторы работают на лампах приемно-усилительной серии.

Стабилизация частоты в передатчиках. Современная радиоаппаратура должна обеспечивать беспоисковую и бесподстроечную связь, так как подстройка приемника в процессе работы приводит к перерыву в связи и создает потерю большого количества передаваемых сигналов. Для обеспечения беспоисковой и бесподстроечной связи необходима высокая стабильность (постоянство) частоты передатчика. По существующим нормам допустимые отклонения частоты передатчика от номинальной не превышают тысячных долей процента.

Имеется два вида стабилизации частоты: параметритческая и кварцевая. Параметрическая стабилизация заключается в подборе таких параметров схемы, при которых частота генератора мало зависит от внешних причин (особенно от температуры внешней среды * и изменения питающих напряжений), и осуществляется при работе передатчика на всех частотах ‘заданного диапазона. При кварцевой стабилизации в схему возбудителя включают пластинку кварца, обладающую пьезоэлектрическим эффектом. Эту пластинку помещают в кварцедержателе между двумя металлическими обкладками.

 

Если к металлическим обкладкам подвести переменное напряжение, то кварц будет совершать механические колебания (сжиматься и расширяться).

Кварцевая пластинка по своим свойствам эквивалентна колебательному контуру с очень высокой стабильностью. Кварцевая стабилизация может осуществляться только на одной или нескольких кратных частотах.

Антенное устройство. Антенна передатчика — устройство, служащее для излучения в пространство радиоволн. Кроме антенны, в антенное устройство может входить фидерная линия, которая служит для передачи с наименьшими потерями токов высокой частоты от передатчика к антенне.

Конструктивно антенна представляет систему проводников, составляющих так называемый открытый колебательный контур. В этом контуре емкость и индуктивность распределены вдоль всего провода, который в данном случае является двухлучевой антенной. Если один из проводов двухлучевой антенны заменить металлическим корпусом радиостанции, системой проводов (противовесом) или заземлить, то получится штыревая антенна. Двухлучевая антенна — симметричный вибратор и однолучевая антенна — несимметричный вибратор применяются в большинстве случаев в качестве основных излучающих элементов антенны передатчика. Собственная частота антенны определяется длиной провода антенны.

Между двумя проводниками симметричного вибратора включена питающая линия — фидер, которая соединяет антенну с передатчиком или приемником. Наиболее часто применяется симметричный вибратор длиной в половину длины волны называемый полуволновым. Вследствие отражения тока и напряжения у концов проводников антенн (если на концах не включены специальные нагрузочные элементы) вдоль проводников устанавливается стоячая волна тока и напряжения. Вдоль полуволнового вибратора «укладывается» полуволна тока и напряжения. На концах ненагруженных проводников антенны всегда устанавливается узел тока (пучность напряжения).

Длина штыревых антенн УКВ радиостанций равна или близка к четверти длины рабочей волны.

Управление колебаниями передатчика. Управление высокочастотными колебаниями при радиотелефонии осуществляется изменением их амплитуды (или частоты) в такт е колебаниями звуковой частоты, получаемыми от микро­фона. Этот процесс называется модуляцией. Модуляция происходит в генераторе высокой частоты и осуществляется с помощью модулятора, который одновременно служит усилителем колебаний низкой (звуковой) частоты, получаемых от микрофона. Полученные при модуляции колебания называются модулированными колебаниями.

Существуют различные виды модуляции! амплитудная (AM), частотная (ЧМ), импульсная (ИМ), фазовая (ФМ) и др. В основном в радиосвязи применяются амплитудная и частотная модуляции. При амплитудной модуляции амплитуда тока высокой (несущей) частоты 1_т изменяется соответственно звуковым колебаниям.

 

При частотной модуляции высокая частота изменяется в такт звуковым колебаниям передаваемого сигнала (рис. 126). Частотную модуляцию используют при радиопередаче на УКВ диапазоне (например, при передаче зву­кового сопровождения в телевидении).

Управлять колебаниями высокой частоты при радиотелеграфии в простейшем случае можно телеграфным ключом.

Когда ключ нажат, антенна излучает радиоволны; при отжатом ключе излучение прекращается. Этот процесс называется манипуляцией. Работают ключом в соответствий с азбукой Морзе. Прием ведется на слух, на буквопечатающее устройство.

Применяют два вида манипуляции: амплитудную и частотную. Принцип амплитудной манипуляции состоит в том, что при нажатом ключе передатчик излучает колебания с определенной амплитудой, а при отжатом ключе амплитуда колебаний падает до нуля, излучение прекращается. При частотной манипуляции во время передачи сигнала ток в антенне имеет одну частоту (/₂), а во время паузы — другую (fy), что позволяет в приемнике получить постоянный ток двух противоположных направлений при нажатом и отжатом ключе на, передатчике.

2.2 Радиоприемники

Сущность    приема    модулированных    и    смодулированных    сигналов.

Радиоволны, излучаемые антеннами радиопередатчиков, распространяются в пространстве, пересекают встречающиеся на их пути приемные антенны и наводят в них переменные э. д. с.

 

По фидеру (или непосредственно) ток из, антенны поступает в приемник. Так как в приемной антенне наводится очень небольшая э. д. с. (миллионные доли вольта), то сигналы, на частоту которых настроен приемник, необходимо усилить. Затем в приемнике происходит процесс, обратный модуляции -детектирование.

Детектирование — это преобразование модулированных колебаний высокой частоты в колебания с частотой модуляции (например, в колебания звуковой частоты при радиотелефонном приеме).

Детектирование осуществляется с помощью устройства, которое пропускает ток только в одном направлении. Это устройство называется детектором. Электрические колебания, которые подводятся к детектору, превращаются в ряд импульсов тока одного направления. Если амплитуда детектируемых колебаний не изменяется, постоянная составляющая этих импульсов имеет неизменную величину. Если же детектируются модулированные колебания, то амплитуда импульсов (а значит, и постоянная составляющая этих импульсов) соответственно  изменяется,  т. е.

возникает переменная составляющая тока, повторяющая изменения амплитуды подводимых колебаний. Таким образом, в составе тока детектора получаются постоянная составляющая и колебания с частотой модуляции, которые подвергаются после детектирования дополнительному усилению и подаются на воспроизводящее устройство (телефон или громкоговоритель), преобразующее подводимый ток в звуковые колебания.

Для приема немодулированных телеграфных сигналов в приемнике применяют гетеродин — маломощный генератор, создающий колебания с постоянной частотой. Эта частота отличается от частоты колебаний сигналов или промежуточной частоты (фиксированных по частоте колебаний, получаемых после преобразования частоты принимаемых сигналов) примерно на 1000 гц в большую или меньшую сторону. Колебания от гетеродина подаются на детектор. От их сложения с колебаниями сигнала образуются биения с разностной частотой 1000 гц, которые после детектирования дают колебания низкой частоты 1000 гц.

Параметры радиоприемника. Важнейшими параметрами радиоприемника, характеризующими его качество, являются избирательность, чувствительность, выходная номинальная мощность и качество воспроизведения сигнала.

Избирательность радиоприемника — его способность выделять из всех различных по частоте сигналов только те, на частоту которых он настроен. Требуемая избирательность достигается путем усиления в приемнике принятого сигнала в предела* узкой полосы частот (полосы пропускания приемника) и ослабления во много раз сигналов тех мешающих станций, которые работают на частоте, близкой к принимаемой. Для этого в высокочастотной части приемника (входной цепи, УВЧ и УПЧ) используются резонансные свойства колебательных контуров. Графическое изображение зависимости коэффициента усиления высоко­частотной части радиоприемника от частоты усиливаемых колебаний показано на рис. в виде резонансных кривых.

31

 

Резонансные кривые радиоприемника: а — хорошая избирательность; б — плохая избирательность

менее 60 дб (в тысячу раз), I класса — 46 дб, II класса — 34 дб, III класса — 26 дб, IV класса — 16 дб.

Чувствительностью радиоприемника называют его способность принимать слабые радиосигналы. Чувствительность приемника оценивается минимальной величиной напряжения (или мощности) радиосигнала, подведенного ко входу приемника, при которой на выходе приемника получается напряжение (выходная мощность), необходимое для нормального воспроизведения приходящего сигнала в телефонах, громкоговорителе или записывающем устройстве.

Через цепи приемника проходят не только полезные сигналы, но и мешающие сигналы (помехи), которые усиливаются наравне с полезными. Способность приемника принимать слабые сигналы, одновременно выделяя их из помех, оценивается реальной чувствительностью. Количественно реальная чувствительность выражается такой минимальной величиной сигнала на входе приемника, при котором на выходе приемника получается нормальная мощность при заданном отношении сигнал/шум.

В соответствии с ГОСТом установлены следующие нормы чувствительности: радиоприемники высшего класса должны иметь чувствительность не хуже 5 мкв на длинных, сред

них и коротких волнах; I и II классов — 150 мкв на длинных и средних и 200 мкв на коротких волнах; III и IV классов — 200—300 мкв на длинных и средних волнах.

За номинальную выходную мощность принимают такое ее значение, при котором искажения сигналов не превышают допустимых. Номинальная выходная мощность приемника находится в пределах от десятых долей ватта до нескольких ватт и зависит от целевого назначения приемника. Величина номинальной выходной мощности зависит от коэффициента амплитудной модуляции, поэтому, говоря о номинальной выходной мощности, имеют в виду, что коэффициент амплитудной модуляции равен 1.

Параметр качества воспроизведения сигнала показывает, в какой степени принимаемый сигнал искажается в трактах радиоприемника. Чем меньше искажения, тем выше качество воспроизведения.

Радиоприемник прямого усиления. В радиоприемнике прямого усиления (рис. ЛЗО) усиление принятых сигналов высокой частоты происходит без преобразования частоты вплоть до детектора.

32

 

Полученные после детектирования колебания звуковой частоты обычно тоже усиливаются для получения нужной выходной мощности.

Для радиоприемника прямого усиления применяются следующие условные обозначения: буквой V обозначают детектор, цифрой до буквы V — количество каскадов высокой частоты, цифрой после буквы V — количество каскадов усиления низкой частоты (например: 1-V-2 — четырехламповый приемник прямого усиления, имеющий один каскад УВЧ и два каскада УНЧ).

Приемники прямого усиления просты по устройству и надежны в эксплуатации.

Функциональная схема радиоприемника прямого усиления.

Основные недостатки приемников прямого усиления непостоянство чувствительности и избирательности по диапазону; на коротких и ультракоротких волнах чувствительность и избирательность невелики.

Принцип работы и функциональная схема супергетеродинного приемника. Супергетеродинный приемник имеет ряд преимуществ по сравнению с приемником прямого усиления: высокие чувствительность и избирательность; по­стоянство чувствительности и избирательности по диапазону; более совершенную схему.

В супергетеродинном приемнике, в отличив от приемника прямого усиления, происходит два преобразования частоты колебаний принимаемых сигналов. Сначала в преобразователе, состоящем из смесителя и гетеродина, принимаемая высокая частота преобразуется в промежуточную частоту, на которой происходит основное усиление и которая выше звуковой частоты и несколько ниже частоты принятого сигнала. После усиления по промежуточной частоте происходит второе преобразование в детекторе — детектирование, т. е. преобразование модулированных колебаний промежуточной частоты в колебания низкой (звуко­вой) частоты (как в приемнике прямого усиления), которые усиливаются и подаются на громкоговоритель или акустическую систему. При приеме телеграфных незатухающих сигналов применяется, как уже указывалось, маломощный генератор — второй гетеродин.

33

 

—        Входное устройство связывает вход приемника с первой лампой или
транзистором. К входным устройствам относятся контуры настройки, фильтры,
катушки и конденсаторы связи с антенной.

Контур настройки определяет диапазон приемника. Входной колебательный контур настраивают на нужную частоту конденсатором переменной емкости — основным органом настройки и в большинстве случаев дополнительно подстроечным конденсатором и подстроечным сердечником катушки индуктивности.

Основные характеристики входного устройства: избирательность, полоса пропускания и коэффициент передачи напряжения. Избирательность колебательного контура в основном зависит от его добротности. Резонансная кривая контура тем острее, чем больше его добротность. Но во избежание искажений из-за сужения полосы пропускания

Основные недостатки приемников прямого усиления! непостоянство чувствительности и избирательности по диапазону; на коротких и ультракоротких волнах чувствительность и избирательность невелики.

Принцип работы и функциональная схема супергетеродинного приемника. Супергетеродинный приемник имеет ряд преимуществ по сравнению с приемником прямого усиления: высокие чувствительность и избирательность; по­стоянство чувствительности и избирательности по диапазону; более совершенную схему.

В супергетеродинном приемнике, в отличие от приемника прямого усиления, происходит два преобразования частоты колебаний принимаемых сигналов. Сначала в преобразователе, состоящем из смесителя и гетеродина, принимаемая высокая частота преобразуется в промежуточную частоту, на которой происходит основное усиление и которая выше звуковой частоты и несколько ниже частоты принятого сигнала. После усиления по промежуточной частоте происходит второе преобразование в детекторе — детектирование, т. е. преобразование модулированных колебаний промежуточной частоты в колебания низкой (звуко­вой) частоты (как в приемнике прямого усиления), которые усиливаются и подаются на громкоговоритель или акустическую систему. При приеме телеграфных незатухающих сигналов применяется, как уже указывалось, маломощный генератор — второй гетеродин.

—        Входное устройство связывает вход приемника с первой лампой или
транзистором. К входным устройствам относятся контуры настройки, фильтры,
катушки и конденсаторы связи с антенной.

^Контур настройки определяет диапазон приемника. Входной колебательный контур настраивают на нужную частоту конденсатором переменной емкости — основным органом настройки и в большинстве случаев дополнительно подстроечным конденсатором и подстроечным сердечником катушки индуктивности.

Основные характеристики входного устройства: избирательность, полоса пропускания и коэффициент передачи напряжения. Избирательность колебательного контура в основном зависит от его добротности.

34

 

Виды связи антенны с входным контуром: а — емкостная;   б — индуктивная; в — комбинированная.

Коэффициент передачи напряжения представляет собой отношение напряжения, снимаемого с входной цепи, к э. д. с. в антенне.

При емкостной связи антенны с входным контуром коэффициент передачи напряжения при перестройке изменяется в больших пределах, значительно изменяя чувствительность приемника. При индуктивной трансформаторной связи антенны с входным контуром коэффициент передачи при перестройке приемника изменяется мало. При комбинированной (индуктивно-емкостной) связи входного устройства коэффициент передачи изменяется по диапазону еще меньше.

Между антенной и входными контурами приемника обычно устанавливают так называемые фильтры-пробки. Они служат для ослабления приема на частоте, равной промежуточной частоте.

35

 

Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для усиления колебаний принимаемого сигнала. Принцип работы УВЧ основан на использовании усилительных свойств электронных ламп или транзисторов. На управляющую сетку лампы УВЧ подается переменное напряжение (напряжение принимаемого сигнала) с входного контура или с контура предыдущего каскада. Под воздействием этого напряжения анодный ток становится пульсирующим. Пуль­сирующий анодный ток содержит постоянную и переменную составляющие. На нагрузочном сопротивлении в анодной цепи, анодный ток создает пульсирующее падение напряжения, которое также имеет постоянную и переменную составляющие’. Если нагрузочное сопротивление достаточно велико, то амплитуда переменного напряжения на нем значительно больше амплитуды переменного напряжения на сетке. Отношение амплитуды напряжения на нагрузочном сопротивлении в анодной цепи к амплитуде напряжения на управляющей сетке называется коэффициентом усиления ступени. Коэффициент усиления ступени показывает, во сколько раз данная ступень усиливает переменное напряжение. В приемниках и передатчиках в усилителях высокой частоты в качестве анодного нагрузочного сопротивления широко применяется колебательный контур, настраиваемый» на частоту усиливаемых колебаний (резонансные усилители). Такой контур при резонансе токов имеет большое и чисто активное сопротивление. Постоянная составляющая анодного тока свободно проходит через катушку индуктивности, а переменная составляющая создает на контуре переменное напряжение, усиленное по сравнению с напряжением на сеточном контуре. Усиленное напряжение подается на следующий каскад усиления или на смеситель. В каскадах УВЧ обычно используют пентоды. Такую схему имеют как высокочастотные, так и низкочастотные усилительные каскады приемников. Нить накала питается переменным напряжением 6,3 в.

Питание анода осуществляется через клеммы + А и — А, к которым подключав соответствующие им выводы выпрямителя, дающего постоянное напряжение 200—250 в. R_e — резистор, являющийся входным элементом усилителя (в усилителях высокой частоты вместо резистора может быть колебательный контур. В анодную цепь включен колебательный контур. Схема усилителя высокой частоты на пентоде:

36

 

На нем же выделяется усиленное напряжение сигнала. R₃— резистор в цепи питания экранирующей сетки. Вследствие наличия этого резистора напряжение на экранирующую сетку подается меньшее, чем на анод. С — конденсатор, предотвращающий нежелательные колебания в цепи экранирующей сетки. С_р— разделительный (переходный) конденсатор преграждает путь постоянной составляющей тока к управляющей сетке лампы следующего каскада (свободно пропуская переменную составляющую усиленного сигнала). Резистор R_K и конденсатор С_к включены между общим проводом питания и катодом лампы и служат для создания на управляющей сетке лампы начального напряжения смещения (некоторого постоянного отрицательного напряжения). Постоянная со­ставляющая анодного тока, проходя через резистор R& Создает на нем падение напряжения («+» приложен к катоду, «—» через резистор R_c к управляющей сетке). Чем больше анодный ток (и сопротивление резистора R^), тем больше величина напряжения смещения. R_K называется резистором автоматического смещения. Без смещения лампа искажает усиливаемый сигнал. Для разных типов ламп смещение различно (например, на управляющую сетку пентода 6К4П в каскадах УВЧ подается около 1в, на управляющую сетку пентода 6П14П в выходном каскаде УНЧ — около бе).

До тех пор пока на управляющую сетку лампы усилителя переменное напряжение не поступает, в анодной цепи течет анодный ток покоя (ток, не изменяющийся по величине). При подаче на управляющую сетку переменного напряжения анодный ток изменяется по величине в соответствии с колебаниями напряжения на управляющей сетке (при положительных полупериодах анодный ток увеличивается, при отрицательных — уменьшается), причем мощность колебаний анодного тока во много раз больше мощности колебаний во входной цепи усилителя. Анодной нагрузкой лампы УВЧ обычно служит колебательный контур. Анодной нагрузкой лампы УНЧ могут быть головные телефоны или громкоговорители. На входе УНЧ часто включается переменный резистор, выполняющий роль регулятора громкости.

Основным показателем работы УВЧ является коэффициент усиления, который тем больше, чем больше крутизна характеристики -лампы и резонансное сопротивления колебательного контура. Если УВЧ содержит несколько каскадов, то общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Преобразователи частоты служат для получения промежуточное частоты. Чем меньше промежуточная частота, тем легче получить большой коэффициент усиления. Промежуточная частота должна находиться в диапазоне частот, где работает наименьшее количество мощных радиостанций (100—120 и 400—500 кец). ГОСТом установлена промежуточная частота 465 ± 2 кгц (в приемниках УКВ — 6,75; 8,4 и 10,7 Мгц).

Принцип работы преобразователя частоты основан на одновременном воздействии на поток электронов в лампе принимаемого сигнала и напряжения гетеродина, вырабатывающего собственные колебания высокой частоты.

37

 

Контуры УВЧ и контур гетеродина взаимно расстроены на величину промежуточной частоты. Конденсаторы переменной емкости этих контуров (конденсаторы настройки) находятся на одной оси. В этом случае при настройке разность частот гетеродина и принимаемой станции равна промежуточной частоте.

Преобразователь состоит из смесителя и гетеродина. В смесителях применяют пентоды и более сложные лампы. Схемы преобразователей на этих лампах делят на односеточные и двухсеточные. Односеточные схемы (напряжение от УВЧ и гетеродина подается на одну сетку) просты, но контуры гетеродина и УВЧ оказываются связанными, и при изменении режима УВЧ частота гетеродина меняется. Поэтому обычно применяют двухсеточные схемы преобразователей. Функции смесителя и гетеродина чаще всего выполняет одна и та же многоэлектродная лампа (например, типов 1А2П, 6А2П, 1И2П, 6И1П и ДР-)-

Схема двухсеточного преобразователя частоты.

Наиболее распространены двухсеточные преобразователи на комбинированной лампе 6ИШ — триоде-гептоде. В схеме смесителя работает гептод, в схеме гетеродина — триод. Вторая и четвертая сетки лампы — экранирующие, они соединены между собой. На третью сетку смесительной части лампы подается отрицательное напряжение смещения, возникающее на резисторе при работе гетеродина. Поэтому при работе лампы между второй и третьей сетками возникает пространственный заряд (на анод проникают лишь отдельные электроны). В зависимости от напряжения на гетеродинной (третьей) сетке сквозь нее из этого пространственного заряда попадает на анод больший или меньший поток электронов, т. е. анодный ток гептода изменяется в соответствии с изменениями высокочастотного напряжения на третьей сетке. Если на сигнальную (первую) сетку подать также высокочастотное напряжение, то анодный ток начинает изменяться под действием и этого напряжения. Таким образом, в составе анодного тока гептода возникнут колебания с частотой гетеродина /_г, частотой сигнала /_с, а также колебания разностной частоты^—f_z. Сигнал разностной частоты, являющейся промежуточной частотой приемника, выделяется фильтром промежуточной частоты.

38

 

Работа преобразователя оценивается по крутизне преобразования S„_p (ма/в) — отношению амплитуды тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала на первой сетке.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) предназначен для основного усиления принимаемого сигнала, преобразованного в сигнал промежуточной частоты, и получения необходимой избирательности приемника. В супергетеродинных приемниках применяют от одного до трех каскадов УПЧ (в зависимости ют необходимой чувствительности и избирательности приемника). Принцип их работы не отличается от принципа работы УВЧ. В качестве нагрузки в анодных цепях УПЧ обычно используют двухконтурные фильтры промежуточной частоты (рис. 135, а). Оба колебательных контура фильтров связаны индуктивно, настроены на промежуточную частоту, имеют одинаковые параметры. Для точной настройки на промежуточную частоту используют катушки с перемещающимися сердечниками. Эти фильтры называются полосовыми, так как они пропускают сигналы только в определенной полосе частот. Их резонансная характеристика имеет П-образную форму. Нулевое на­пряжение на выходе детектора должно соответствовать номинальной промежуточной частоте 8,4 или 6,5 Мгц.

Частотный детектор. Принцип его работы заключается в следующем. Контур L₀Co настроен на при­нимаемую частоту /о. отклонения от которой (со звуковой частотой) должны быть преобразованы в изменения напряжения на выходе частотного детектора. Контуры Ь^Л и L2C2 настроены соответственно на частоты/ и /₂, из которых одна больше, а другая меньше /₀ на одну и ту же величину. Пока частота колебаний, подаваемых на детектор, равна /о, колебания в контурах Lfii и L2C2 равны по амплитуде, вследствие чего напряжения U_t и U_it создаваемые диодными детекторами Д< и Дг, равны по величине, и выходное напряжение и_ъых = 0. При отклонении частоты от /₀ амплитуды колебаний в контурах изменяются в противоположные стороны. В том контуре, к настройке которого частота сигнала приблизилась, амплитуда возрастает, и наоборот, в контуре, от настройки которого частота сигнала удалилась, амплитуда падает. Вследствие этого появляется напряжение на выходе частотного детектора, причем это напряжение меняет полярность при уходе частоты сигнала в разные стороны ofifo, и величина и_Вип0казывается пропорциональной отклонению частоты.

 

Частотный детектор, работающий по описанному принципу, называется дискриминатором.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) предназначен для усиления колебаний звуковой частоты. В зависимости от назначения УНЧ подразделяют на усилители напряжения (каскад или каскады предварительного усиления) и усилители мощности (выходной каскад).

Принцип работы лампового УНЧ состоит в использовании усилительных свойств лампы. Анодный ток изменяется в зависимости от поступающего на управляющую сетку лампы переменного напряжения низкой частоты. Переменная составляющая анодного тока проходит через нагрузку в анодной цепи (например, резистор) и создает на ней переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше сопротивление нагрузки. Поэтому величина выходного напряжения может быть во много раз больше напряжения сигнала, подводимого к сетке. Основные характеристики УНЧ: коэффициент усиления, номинальная выходная мощность, чувствительность, полоса пропускания, к. п. д., искажения, вносимые усилителем. Коэффициент усиления представляет собой отношение выходного напряжения усилителя к его входному напряжению. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. Коэффициент усиления можно ‘выразить в децибелах:

/C,e = 20Ig-^A3. = 20Ig/C,

Номинальная выходная мощность — наибольшая мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку при заданной величине нелинейных искажений.

Чувствительность — наименьшее напряжение звуковой частоты на входе УНЧ, при которой на его выходе (телефон, громкоговоритель) развивается номинальная выходная мощность.

Полоса пропускания — диапазон частот, в котором коэффициент усиления изменяется в пределах, допустимых техническими условиями.

Коэффициент полезного действия — это отношение полезной мощности, развиваемой УНЧ, к мощности, потребляемой от источника питания анода (электрический к. п. д.), или к мощности, потребляемой от всех источников питания (промышленный к. п. д.).

Искажения, вносимые усилителем, — это изменение формы кривой напряжения на выходе относительно кривой напряжения на входе. Различают искажения частотные и нелинейные. Частотные искажения — это неодинаковое усиление составляющих разных частот спектра, вследствие, чего нарушается соотношение между амплитудами различных частот. Нелинейные искажения выражаются в появлении на выходе, кроме напряжения основной частоты, новых частот (второй и третьей гармоник и комбинированного тона), которых не было в сигнале на входе усилителя. Причина нелинейных искажений — наличие в схеме усилителя нелинейных элементов: электронных ламп, транзисторов, трансформаторов или дросселей с ферромагнитными сердечниками.

 

Нагрузкой в анодной цепи усилителя может быть не только резистор, но дроссель или трансформатор. В УНЧ применяются триоды, лучевые тетрод] транзисторы.

Усилители на транзисторах

В транзисторе выходным током (током коллекторного перехода) управляет входной ток (ток эмиттерного перехода) так же, как в электронной лампе выходным (анодным) током управляет напряжение на управляющей сетке. При этом небольшие изменения тока базы приводят к значительным изменениям тока коллектора.

 

Схема с общим эмиттером аналогична схеме усилителя на электронной лампе с заземленным катодом. Данная схема включения транзистора дает наибольшее усиление по мощности (по сравнению с другими схемами включения транзистора) и усиление по току больше единицы.

Схема включения транзистора с общей базой дает усиление по току меньше единицы и меньшее усиление по мощности, чем в схеме с общим эмиттером. Плоскостной транзистор в схеме с общим коллектором дает относительно небольшое усиление по мощности; его усиление по току несколько больше, чем в схеме с общим эмиттером.

Выходной каскад — усилитель мощности — предназначен для отдачи определенной мощности во внешнюю нагрузку (головные телефоны, громкоговорители, пишущие устройства и т. д.), включенную на выходе УНЧ. Поэтому в оконечных усилителях лампа должна работать в таких условиях, при которых обеспечивается максимальная отдача мощности в нагрузку при допустимых частотных и нелинейных искажениях. Если выходная мощность порядка нескольких ватт, оконечный каскад выполняется по однотактной схеме с одной лампой. Гораздо большую мощность с меньшими нелинейными искажениями, чем у однотактной схемы, позволяет получить- двухтактная (симметричная) схема выходного каскада. Для уменьшения искажений входной трансформатор двухтактной схемы можно заменить фазоинверсной (фазопереворачивающей) предоконечной ступенью. Она работает на одной или двух лампах и создает на выходе два равных, но противоположных по фазе пере­менных напряжения, которые подаются на сетки ламп оконечной двухтактной ступени. В последнее время появились оконечные каскады, собранные по бестрансформаторной схеме, в которых через сопротивление нагрузки (порядка сотен Ом) не протекает постоянный ток.

В случаях, требующих расширения диапазона частот УНЧ, применяют схемы широкополосных усилителей, в которых используются лампы с более высокой крутизной и малой входной емкостью (специальные широкополосные пентоды).

Оконечные каскады предназначены для согласования приемника с нагрузкой. В маломощных радиостанциях нагрузкой приемников чаще всего служат головные телефоны и телефонная линия {или то и другое вместе).

Блок питания. Блок питания имеется в любом сетевом   радиоприемнике, г В него входит трансформатор питания, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока электрической   сети в электрическую энергию переменного тока нужного напряжения при той же частоте и мощности, и выпрямитель с фильтром для сглаживания пульсации выпрямленного тока.

41

 

42-

 

 

 

Список литературы:

1. М.М. Ельянов «Практикум по радиоэлектронике». Учеб. пособие для учащихся 9 и 10 кл. Изд. 4-е, М., «Просвещение», 1977.
2. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев «Физика» учебник для 10 класса ср. школы. Изд. 5-е, М., «Просвещение», 1981.
3. Под редакцией А.А. Покровского «Демонстрационный эксперимент по физике» в старших классах ср. школы. Изд. 2-е, М., «Просвещение», 1972.
4. Г.И. Ермолаев «Основы радиолокации и радиолокационное оборудование», М., Машиностроение, 1967.
5. П.А. Бакулев «Радиолокация движущихся целей», М., Советское радио, 1964.
6. А.Г. Сайбель «Основы радиолокации», М., Советское радио, 1961.
7. Буров В.А. и др. Демонстрационные опыты по физике в средней школы. М, «Просвещение», 1970.
8. Ушаков М.А. К изучению законов электромагнитного поля. М., Учпедгиз, 1953.
9. Брег У.Г. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967.

• Малышев И.М. Волновые и квантовые свойства света. М., Учпедгиз, 1957.

11. Знаменский П.А. Вопросы волновой теории света в курсе физики
    средней школы. М., изд-во АПН РСФСР, 1954.

 

опыт

Модуляция

Оборудование:   1) осциллограф электронный, 2) звуковой генератор, микрофон угольный, 4)   камертон на резонаторном ящике, 5)   резиновый молоточек, 6) провода соединительные.

Колебания высокой частоты, у которых под воздействием колебаний низкой частоты изменяется частота или амплитуда, называются модулированными колебаниями. В первом случае модуляция называется частотной, во втором — амплитудной. Наиболее распространена амплитудная модуляция.

Чтобы дать учащимся понятие об амплитудной модуляции, им сначала напоминают, а если надо, то и показывают действие угольного микрофона; затем переходят к основному опыту. Присоединяют микрофон к зажимам выхода звукового генератора, настроенного на частоту около 18 кГц, и к зажимам микрофона присоединяют электронный осциллограф.

Установив диапазон развертки в осциллографе 30—130 Гц, включают звуковой генератор и демонстрируют осциллограмму синусоидальных колебаний. После этого в этом же диапазоне постепенно уменьшают частоту развертки, пока осциллограмма на экране не превратится почти в сплошную полосу.

Рис. Получение осциллограммы модулированных колебаний..

Взяв камертон с резонатором двумя пальцами левой руки за шейку, подносят резонатор отверстием к микрофону и ударяют камертон резиновым  молоточком.   Ручкой  плавной  на-

 

стройки   подбирают   наивыгоднейшую   частоту   развертки   и   получают устойчивую осциллограмму модулированных колебаний (рис. ЗВБ).

Наблюдаемое явление нетрудно объяснить. Пока микрофон бездействует, напряжение на его зажимах, подаваемое на вход осциллографа от звукового генератора, изменяется с постоянной амплитудой и ширина полосы на экране не меняется. Звучание камертона приводит в движение

 мембрану микрофона. При изменении давления мембраны угольные зерна их сопротивление начинает изменяться. В такт с изменением сопротивления меняется сила тока в микрофоне, а сле­довательно, и напряжение па его зажимах. Амплитуда колебаний несущей частоты периодически возрастает и убывает с частотой колебаний камертона.

Режим работы осциллографа ЭО-7 в этом опыте: ослабление Lil, синхронизация внутренняя, диапазон развертки 30— J30 Гц, частота плавно подбирается на опыте.

Можно рекомендовать и другой вариант демонстрации, для которой собирают одноламповый звуковой генератор и в разрыв анодной цепи включают понижающую обмотку универсального трансформатора, включенного первичной обмоткой в сеть переменного тока частотой 50 гц. Напряжение с катушки, связанной индуктивно с колебательным контуром, подают на зажим вертикального отклонения электронного осциллографа’.

Оба эти опыта служат для начального формирования понятия амплитудной модуляции. Проведение любого из них ни в каком случае не исключает проведения опыта 120, в котором демонстрируется осциллограмму модулированных и детентированных колебаний, получаемых в соответствующих цепях радиоприемника при приеме сигналов радиовещательной станции.

ОПЫТ     Радиопередача и прием модулированных   сигналов

Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) усилитель низкой частоты, выпрямитель ВУП-1, 4) электропроигрыватель, 5) универсальный усилитель, 6) громкоговоритель, 7) провода соединительные.

 

Рис. Радиотелефонный передатчик. В этой демонстрации осуществляется радиопередача граммофонной записи посредством генератора УВЧ с модулирующим устройством и прием этой передачи на динамик посредством простейшего детекторного радиоприемника. Установка для радиотелефонной передачи представлена на рисунке 317. Она состоит из электропроигрывателе для граммофонных пластинок (на рисунке не показан), усилителя низкой частоты и генератора УВЧ. Питание передатчик получает от выпрямителя ВУП-1. Схема установки показана на рисунке 318.

Рис. Схема радиотелефонного передатчика с амплитудной модуляцией на анод.

 

Рис.. Радиоприемник.

В этой схеме применена анодная модуляция. Роль модуляционного трансформатора выполняет выходной трансформатор усилителя с коэффициентом трансформации 1:1.

На противоположной стороне классной комнаты устанавливают радиоприемник. Его собирают из универсального усилителя, на панели которого в специальные гнезда и зажимы вставляют прилагаемые к усилителю диод в вилке, трансформатор, стержни диполя и батарейку К.БС. Усилитель устанавливают в специальном зажиме на щитке динамика, а два крайних зажима, соединенных с концами вторичной обмотки трансформатора, присоединяют к зажимам динамика.

Диод включают так, чтобы при работе передатчика правая половина диполя приемника заряжалась положительно. Это проще всего осуществить путем проб, после чего правильное положение вилки надо отметить каким-либо значком.

Опыт проходит нормально в пределах большой классной комнаты. Поворачивая радиоприемник и перемещая его относительно передатчика, можно показать, что громкость звучания при установке приемника в разных местах неодинакова. Это объясняется изменением дальности, а также отражением электромагнитных волн от различных металлических труб, балок и других предметов.

Очень важно проследить за правильным включением концов модуляционного трансформатора в анодную цепь генератора. При правильном включении магнитные потоки в сердечнике, создаваемые анодными токами в первичной и вторичной обмотках, направлены навстречу. При этом радиоприемник дает более громкий и чистый прием. Правильное включение можно определить путем проб.

»Возможна демонстрация радиотелефонной передачи с модуляцией на сетки ламп. Как видно из схемы на рисунке 320, а этом случае вторичную обмотку трансформатора включают в

 

Рис. Схема радиотелефонного передатчика с амплитудной модуляцией

на сетку, разрыв цепи сеток ламп генератора. Для этого необходимо снять перемычку, обычно замыкающую соответствующую пару зажимов генератора. И в этом случае   надо   путем   проб   определить   правильное   включение   концов модуляционного трансформатора. ОПЫТ      Прием радиовещания на детекторный приемник

Оборудование: 1) детекторный радиоприемник демонстрационный, 2) усилитель низкой частоты, 3) громкоговоритель, 4) выпрямитель ВУП-1, 5) электронный осциллограф, 6)  провода соединительные.

Для демонстрации действия детекторного радиоприемника собирают установку, изображенную на рисунке. К верхнему зажиму радиоприемника присоединяют наружную антенну, если предполагается прием дальней станции, или комнатную антенну для приема мощной близко расположенной радиостанции. К нижнему зажиму присоединяют заземление.

Включив выпрямитель в сеть, настраивают колебательный контур приемника. Для этого поворачивают ручку конденсатора, пока не станет слышна работа радиостанции.

 

Детекторный радиоприемник с усилителем низкой частоты и осциллографом.

Для перехода на другой диапазон катушку вынимают из гнезд, поворачивают и включают другой парой   штырьков.

Выбрав из работающих радиостанций наиболее мощную, тщательно настраивают радиоприемник и присоединяют к зажимам «антенна» и «земля» входные зажимы электронного осциллографа, предварительно отрегулированного в диапазоне частот горизонтальной развертки 30—130 гц с ослаблением 1 : 1 и большим усилением.

Во время передачи на экране получается осциллограмма модулированных колебаний. В паузах осциллограмма выравнивается в сплошную ленту. При повороте ручки конденсатора меняется ширина ленты, т. е. амплитуда колебаний высокой частоты.

Если верхний провод от осциллографа перенести на правую сторону детектора, то осциллограмма меняет свой характер. Происходит детектирование, и на экране видна осциллограмма звуковых колебаний.