Борис Семенов - Путеводитель в мир электроники. Книга 2
Рис. 13.43. Фильтр низкой частоты 4-го порядка для радиоприемника
Рис. 13.44. Частотные характеристики фильтра для радиоприемника
Чрезвычайно важную задачу выполняют полосовые фильтры. С радиочастотными полосовыми фильтрами нам довелось иметь дело в главе, посвященной радиотехнике, — это колебательные контуры и фильтры сосредоточенной селекции тракта ПЧ. Часто полосовые фильтры нужны и в области частот, слышимых человеческим ухом. Как показывает опыт, в этом диапазоне конструктивные размеры индуктивных элементов становятся громоздкими, и далеко не всегда пригодными к практическому использованию. Выручают операционные усилители, позволяющие построить полосовой фильтр вообще без применения индуктивностей.
Схема самого простого полосового фильтра на ОУ показана на рис. 13.45.
Рис. 13.45. Полосовой фильтр на ОУ и его частотная характеристика
Улавливаете связь между ФНЧ и ФПЧ? Это — тоже фильтр на основе структуры Рауха. Его свойства определяются только расположением резисторов и конденсаторов.
Коэффициент усиления фильтра на резонансе:
Резонансная частота (в Гц):
Ширина полосы пропускания при С3 = С4 = С (в Гц):
Резонансная частота и полоса пропускания — очень знакомые нам характеристики. Резонансную частоту можно в небольших пределах регулировать резистором R2. К сожалению, этот фильтр обладает рядом существенных недостатков: попытка изменения коэффициента усиления приведет к изменению всех остальных параметров. Кроме того, схема обладает повышенной чувствительностью к технологическому разбросу параметров элементов и не позволяет из-за этого строить узкополосные фильтры, которые иногда очень нужны. И все же в радиолюбительской практике такие простые фильтры встречаются.
Повышенной стабильностью (временной, температурной), низкой чувствительностью к допускам номиналов элементов и независимостью настроек основных параметров обладает биквадратный фильтр. Мы приведем только схему биквадратного полосового фильтра, так как он может в наибольшей степени пригодиться радиолюбителю в одиночном варианте. Его схема показана на рис. 13.46, а частотная характеристика повторяет «частотку» полосового фильтра на основе структуры Рауха.
Рис. 13.46. Биквадратный полосовой фильтр
Этот фильтр требует ни много ни мало, а три операционных усилителя, но зато его основные характеристики определяются по простейшим выражениям:
Такой фильтр удобно собирать на микросхемах, в которых размещено в одном корпусе четыре независимых ОУ с общим питанием, например с применением серий К1401, КР1446.
О заграждающих фильтрах мы говорить не будем, поскольку строятся они по специфическим малораспространенным схемам. Основное назначение заграждающих фильтров — постановка «заслона» какой-либо нежелательной частоте сигнала. Например, сильный фон переменною тока частотой 50 Гц можно убрать из сигнала, поступающего на вход усилителя, узкополосным заграждающим фильтром. При необходимости решить такую задачу читатель найдет все необходимые расчетные соотношения и схемы в списке литературы, прилагаемой к этой главе [2–5].
Литература
1. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 5. — М.: СОЛОН-Р, 2002.
2. Быстров Ю. А. и др. Электронные цепи и устройства. — СПб.: Энергоатомиздат, 1999.
3. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. — Л.: Энергия, 1974.
4. Мячин Ю. А. 180 аналоговых микросхем. — М.: Радио, 1993.
5. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. — М.: Советское радио, 1974.
Глава 14
ЛОГИКА ДЛЯ ЦИФРОВОГО МИРА
Мы ежедневно сталкиваемся с миром цифровой техники — узнаем время по электронным часам, ведем расчеты на карманных микрокалькуляторах и персональных компьютерах. Цифровые устройства считают пассажиров на пропускных пунктах в метро. Цифровые кассовые аппараты установлены в большинстве магазинов, цифровые кредитные карточки принимают уличные телефоны-автоматы. Цифровые блоки управления встраиваются сегодня во всю бытовую технику: в телевизоры, музыкальные центры, микроволновые печи, пылесосы, стиральные машины, холодильники. Цифровая техника позволяет свести до минимума участие человека в производственных процессах: многие серийные линии выпуска продукции управляются компьютерами.
Основатель корпорации «Intel» Роберт Нойс писал о вычислительной технике следующее: «Так же, как промышленная революция дала человеку возможность применять большую физическую силу, чем могли обеспечить его собственные мускулы, цифровая электроника увеличила силу его интеллекта». Давайте же познакомимся с основами цифровых устройств, занявших сегодня в электронике одно из ведущих мест.
Немного об истории возникновения цифровой техники
Прогресс — это лучшее, а не только новое.
Лопе де ВегаВспомним «юморящего» на компьютерные темы Егора Холмогорова и попытаемся понять, когда началась эпоха цифровой микроэлектроники. «Следующей за изобретением транзистора крупной вехой в человеческой истории стало изобретение в 11 году «компьютерной эры» (1958) первой интегральной схемы. На сей раз постарался 34-летний американец и по совместительству — инженер-электротехник компании Texas Instruments Джек Килби, решивший зачем-то запихать несколько различных полупроводниковых элементов в Один корпус. Работы над реализацией этой уникальной идеи длились несколько лет, и в конце концов Килби удалось достичь положительного результата: он умудрился разместить в одном полупроводниковом блоке схему, состоящую аж из десяти транзисторов. Спустя еще полтора года, когда все это наконец заработало, он представил результат своего творчества восхищенной публике, проложив для населения Земли еще одну ступеньку в будущее — к появлению первого в мире полупроводникового микропроцессора». А фотография той самой первой микросхемы, в свое время обошедшей множество мировых научно-технических журналов, представлена на лазерном компакт-диске, прилагаемом к этой книге. Она мало напоминает современные образцы, но… лиха беда начало!
В одном старинном детском мультфильме, наверняка известном всем читателям этой книги, анимированная зверушка долго обижалась на такую же зверушку, бормотавшую считалочку. Обида выразилась так: «Он меня сосчитал!».
И правда, если перейти от сказки к реальности, человечество всегда интересовали количественные оценки тех или иных процессов. Ведь сосчитать — значит дать определение, оценить, лишить загадочности. Но считать на пальцах или на бумажке не слишком удобно, особенно когда приходится это делать многократно. Поэтому пытливые умы человечества издавна пытались как-то автоматизировать процесс счета. Автомату совершенно неважно, что ему считать: алмазы в каменных пещерах или ворон в небе.
Одна из первых попыток создать автоматический вычислитель относится примерно к 1623 г., когда Вильгельм Шикард (1592–1635) создал устройство под названием «вычисляющие часы». Машина Шикарда производила сложение, вычитание и могла работать с семизначными числами; о переполнении сигнализировал звонок. Вычислитель не заинтересовал «широкую общественность», и он вместе с чертежами пропал в сумятице войны, разразившейся тогда в Европе. В 1935 г. чертежи нашлись, но Вторая мировая война опять куда-то их затеряла. Второй раз чертежи обнаружились в 1956 г., и в 1960-м «вычисляющие часы»- восстановили, убедившись в полной работоспособности детища Шикарда.
Более удачливым в коммерческом использовании вычислительных механических устройств оказался знаменитый французский ученый Блез Паскаль (1623–1662), который в 1644 г. придумал «паскалин» — пятиразрядную арифметическую машину. Современные оценки этой машины свидетельствуют о том, что «паскалин» не мог вычитать числа, и выходил из строя значительно чаще, чем «вычисляющие часы». Однако Паскаль умудрился-таки продать около двух десятков «паскалинов», часть из которых дошла до нашего времени.
Позже, в 1674 т., знаменитый математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646–1716) разработал «пошаговый вычислитель» со сложной системой подвижных грузов. Вычислитель Лейбница имел возможность умножать числа при максимально возможной разрядности до 16. Ввод цифр приходилось выполнять при помощи рычажков, затем осуществлялись сложные повороты, требовавшие в каждом конкретном случае отдельных поправок. Непригодная к практическому использованию машина Лейбница была заброшена им на чердак, где ее обнаружили только в 1879 г.
