Минаев Е.И. - Основы радиоэлектронники

ББК 32 М23. УДК 321.3П.39 Рецензент д-р техн. наук проф, С. И. Баскаков редакция литературы по информатике и вычислительной технцке Манаеа Б. И. М23 Основы радиоэлектроники.— 3-е изд., перераб. и доп.— М,: Радио и связь, 1990.— 312 сц ил. 18В61 5-256-00408-5. Излагаются основы радиоэлектроники. Описываются элементы электронных цепей. Рассматриваются основные электронные устройства. усилители, генераторы, модуляторы, детекторы н т. пл методы передачи и приема сигналов; влияние шумов и помех. По сравнениго со вторым изданием (1985 г.) полнее отражены вопросы применения интегральных микросхем, полевых транзисторов, операционных усилителей.

Введена новая глава, посвященная микропроцессорам. Для широкого круга специалистов, работающих в различных областях радиотехники; может быть полезна студентам вузов радиотехнических и радиофизических специальностей. М 2302010000 — 062 046(01)-90 ББК 32 Бсапое«4 1»Р ~ грОЧ«ГЕСГХт)СПОута.

а.о4э. Производственное издание МАНАЕВ ЕВГЕНИИ ИВАНОВИЧ ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ЙЩ$~ Заведуюгцая редакцией Г. И. Козмрева Редактор В. Н. Ченцава Переплет художннка В. Б. Самокнна Художественный редактор П. В. Проценко Технический редактор 3. И. Ратннкова Корректор Л. й. Буданцева ИБ Лй 2052 Издательство «Сов. радио», 1976 ф Манаев Е.

И., с изменениями, !990 $8В14 6-256-00408-5 Сдано в набор 4.09.69. Подписано в печать 6.02.90. Т-060«0. ФоРмат бОКМуйз. Бумага тнн. Ю 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. уел. оеч. л. 62,0. уел. кр.-отт.32,0. уь.нзд. л. зз,зз. гараж зоооо зкз. изд, и 22тзз. звк, уа 11зя. пенз 1 р. Оо к. Издательство «Радво н связь», 101000, москве, Почтамт, з1я 693. Областная ордена «Знак Почета» твяогрвфня нм. Смнрнова Смоленского облуправления издательств, яоанграфян н княжной торговли. 2ЫООО, г.

Смоленск. кросаект. вм. Ю. Гагарина, 2. пввдисловив Данная книга является переработанным и дополненным изданием учебного пособия для вузов, которое вышло в 1985 г. в издательстве «Радио и связь». Предыдущее издание предназначалось для радиотехнических специальностей вузов, учебные планы которых не предусматривают отдельных курсов по усилительным, радноприемным и радиопередающим устройствам, но отводят достаточное время на изучение основ радиоэлектроники в одном курсе. Опыт показал, что учебное пособие нашло применение во многих высших учебных заведениях, например в политехнических и педагогических, на физических факультетах университетов.

Кроме того, им заинтересовались широкие круги инженеров и техников. В новом варианте книги внимание, как и раньше, обращается на творческое, а не на формальное усвоение материала по основным вопросам радиоэлектроники. Подчеркивается важность практического овладения предметом, предусматривающего глубокое понимание сути стоящих технических задач и целесообразности применяемых методов их решения.

Использование в книге эффективного принципа «от частного к общему» объясняет порядок изложения материала и распределение его по главам. В правильности такого подхода автор убежден благодаря опыту работы в промышленности и опыту преподавания. Переработка книги обусловлена широким использованием интегральных микросхем. Зто требует изучения не только их параметров, но и внутреннего строения, а также происходящих в них процессов. Известно, что развитие микроэлектроники влияет на схемотехнику. Поэтому в книге описываются новые схемные решения устройств усиления и преобразования сигналов.

Например, рассматривается применение дифференциального усилителя не только для усиления, но и для модуляции и детектирования. По сравнению с предыдущим изданием переработаны многие главы. Расширена глава, посвященная элементам импульсной и цифровой техники. Введена новая глава по микропроцессорам, знакомство с которыми стало совершенно необходимым уже при изучении основ радиоэлектроники. При переработке и дополнениях учтены замечания преподавателей ЛПИ, ЛЗТИ, МАИ, МВТУ, МГУ, МФТИ, МЗИ, Минского радиотехнического института, Пензенского политехнического института, Рязанского радиотехнического института и Сумского государственного педагогического института. Всем им автор выражает свою благодарность.

Глава 1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЪ| И ПОНЯТИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 1Д. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ Радиоэлектроника — это собирательное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования и преобразования радиочастотных электромагнитных колебаний и волн; основные из них радиотехника и электроника. Радиотехника — это наука об электромагнитных колебаниях (с частотами от 3 Гц до 6000 ГГц) и волнах (длина волн при распространении в вакууме от 100 тыс. км до 0,05 мм), методах их генерирования, усиления, излучения и приема. Кроме того, это отрасль техники, осуществляющая применение таких колебаний н волн для передачи информации в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радионавигации и др.

Радиотехнические методы и устройства широко применяются в автоматике, физике, химии, биологии, медицине н т. д. Особого упоминания заслуживает применение их в вычислительной технике. Электроника — это наука о взаимодействни электронов с электромагнитными полями н о методах создания вакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов и устройств. Микроэлектроника — это раздел электроники, связанный с созданием электронных функциональных узлов, блоков и отдельных устройств в микроминнатюрном исполнении на основе группового изготовления электро- н радиоэлементов и печатного монтажа. В настоящее время многие методы радиоэлектроники рассматриваются с точки зрения применения их в микроэлектронике.

1ли СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РАДИОПЕРЕДАЮШЕГО И РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВ Основные методы и устройства радиоэлектроники проще всего можно объяснить на примере структурных схем передающего и приемного (связиых нли радиовещательных) устройств, пока- ! ! !!! ! ! !!!!!! !! !!! !! !! 1 !!!!!!!!!!!!!!! от микрофона, не могут достаточно эффективно излучаться непосредственно антенной и распространяться на большие расстояния.

Модуляцией называется изменение одного из параметров радиочастотного колебания (амплитуды, частоты или фазы) в соответствии с изменениями параметров передаваемого сигнала (сообшения). Радиочастотное колебание, промодулированное сообщением, называется радиосигналом. На структурной схеме передающего устройства (см. рис. 1.1) показан модулятор, с помощью которого радиочастотное колебание модулируется.

Различают три основных вида модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. На рис. 1.3, например, показаны модулирующий сигнал, радиочастотное колебание н амплитудно-модулированное радиочастотное колебание. На рис. 1.4 показан один из простейших типов амплитудной модуляции — амплитудная манипуляция (модуляция сигналом, принимающим два крайних значения). На рис. 1.5 показана частотная манипуляция, а на рис. 1.6 — фазовая. Из рис. 1.3 — 1.6 хорошо видно, что модуляция, т. е. преобразование тех илн иных параметров радиочастотного колебания в соответствии с передаваемым сообшением, ие является простым суммированием модулирующего сигнала и радиочастотного колебания.

В приемном устройстве (см. рис. 1.2) особую роль играет детектор. Детектированием называется процесс, обратный модуляции. При детектировании радиочастотного модулированного колебания выделяется исходное модулирующее колебание. Например, ау б с а с Рис. 1.5. Частотная манипуляция: а — передаваемый сигнал; б — радиочастотное колебание до маивпулацнн; е — частотно.маиипулированное коле- бание Рис, 1.6. Чтааовая манипуляция: а — передаваемый сигаааи б — радноча.

стотное колебание до манипулении; е— фааоманипулироваиаое рааночастотиое колебание слн на вход детектора подается колебание, показанное на рис 1З,в, то на его выходе полУчают колебание, показанное на рис. 1.3,а. НЗ. В ИДИ УСИЛИТЕЛЕЙ Нз структурных схем приемного и передающего устройств следует, что в приемнике и передатчике есть усилители электрических колебаний различных частот.

Необходимость усиления нетрудно понять из сравнения мощностей. Так, мощность радиосигнала на входе приемного устройства 10 " † м Вт, а для работы оконечного прибора (например, громкоговорителя) обычно требуется мощность порядка одного или нескольких ватт. Таким образом, в приемном устройстве треоуется усиление по мощности в 10м— 10гв раз.

Различают следующие усилители: звуковой частоты, импульсные или видеоусилители, постоянного тока, радиочастоты и проме>куточной частоты. Каждый усилитель более или менее равномерно усиливает электрические колебания от некоторой нижней частоты Р„до некоторой верхней частоты Г,. Например, в усилителях звуковой частоты для высококачественного воспроизведения музыкальных передач Р„=20 Гц, а Г,=20 кГц. В усилителях самолетных переговорных устройств и радиостанций этот диапазон значительно уже; Г„=300 Гц, а Р,=З вЂ” 4 кГц. Здесь колебания более высоких частот не усиливаются, так как они мало влияют на разборчивость речи. Что же касается колебаний более низких частот, то их не пропускают„чтобы не усиливать низкочастотные акустические шумы, попадающие в микрофон и заглушающие полезные сигналы.

Усилители звуковой частоты входят в состав радиопередающего и радиоприемного устройств, а также широко применяются в звукозапнсывающей и звуковоспроизводягцей аппаратуре, например в магнитофонах и электрофонах. В структурную схему радиоприемпого устройства кроме усилителя звуковой частоты входят усилители радио- и промежуточной частот. Их назначение — усилить принятый радиосигнал от напряжения, измеряемого милливольтами, а чаще всего микровольтами, а иногда и миллионными долями микровольт, до напряжения, близкого к 1 В, необходимого для эффективной работы детектора. Усилитель радиочастоты настраивается на частоту принимаемой радиостанции.

Его полоса усиливаемых сигналов при приеме радиовещательных станций — от нескольких килогерц до нескольких десятков килогерц, а при приеме телевизионных — несколько мегагерц. Но прн этом полоса пропускания — полоса усиливаемых частот — всегда мала по сравнению со средней частотой принимаемого спектра. Например, при приеме телевизионных сигналов полоса пропускания б1'=8 МГц, а средняя частота в метровом диапазоне от 50 до 200 МГц. Она высока по сравнению с полосой пропускания и модулирующими частотами.

В структурной схеме радиоприемного устройства между усилителем радиочастоты и детектором показаны преобразователь частоты и усилитель промежуточной частоты. В преобразователе частоты принимаемые радиочастотные сигналы преобразуются в сигналы промежуточной частоты. При этом перестраиваются только усилитель радиочастоты и гетеродин преобразователя. Приемник с преобразованием частоты называется супергетеродинным приемником илн супергетеродином. Приемник без преобразования частоты называется приемником прямого усиления.