Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Автопилот.
При появлении сигнала (летчик повернул штурвал на некоторый угол) система управления заставляет отклоняться рули самолета, и его курс изменяется. Датчик положения вырабатывает сигнал, соответствующий новому курсу, а сравнивающее устройство контролирует, достиг ли этот сигнал требуемого значения, и, если нужно, вносятся коррективы. Как только самолет лег на нужный курс, сигнал обратной связи, вырабатываемый сравнивающим устройством, прекращает действие сигнала управления и система управления устанавливает рули в нейтральное положение. Особое значение имеет обратная связь для автоматического поддержания заданного курса. Допустим, что никакого сигнала управления от летчика не поступало, но курс самолета несколько изменился (подул боковой ветер или на пути попалась «воздушная яма»). Датчик положения немедленно отреагирует на изменившееся направление полета, и сравнивающее устройство выработает сигнал ошибки. По цепи обратной связи он поступит в систему управления, а она повернет рули самолета и скорректирует курс.
Другой пример автоматическое устройство для поддержания заданной температуры — термостат. Он используется и в аппаратуре для тонких биохимических исследований, и в высокостабильных кварцевых генераторах, и в инкубаторах для выведения цыплят.
Температура внутри устройства контролируется датчиком, например терморезистором. Его сигнал сравнивается с опорным, задающим нужное значение температуры. Если температура понижается, сопротивление терморезистора возрастает и сравнивающее устройство вырабатывает сигнал обратной связи, управляющий регулятором тока, который, в свою очередь, включает нагреватель.
Но как только температура объекта достигает заданной, нагреватель отключается. Как видим, здесь тоже имеет место управление с обратной связью: регулируемый параметр управляет работой системы управления.
Устройство термостата.
Простейший термостат.
Какова же роль электроники в описанных процессах? Самая непосредственная. Здесь мы имеем дело с сигналами управления, датчиков, обратной связи. Они могут передаваться в различной форме, но главное-чтобы их можно было легко и быстро обработать. Для этого на данном этапе развития науки и техники лучше всего подходят электрические сигналы. Следовательно, все устройства и блоки, показанные на структурных схемах, должны быть электронными. Конечно, в ряде случаев пригодны и очень простые устройства, не содержащие электронных схем. Например, простейший регулятор температуры содержит лишь биметаллическую пластинку с контактами и спираль нагревателя. Благодаря разным коэффициентам линейного расширения металлов, из которых изготовлена пластинка, при изменениях температуры она изгибается, замыкая контакты при остывании и размыкая при нагреве. Точность регулирования в таком устройстве невысока и составляет единицы градусов. Как правило, электронный регулятор температуры содержит интегральную микросхему-операционный усилитель, усиливающий слабый сигнал датчика и сравнивающий его с опорным, а также мощные транзисторы и тиристоры, управляющие током нагревателя. В результате получают точность поддержания температуры до сотых долей градуса, а при необходимости и еще выше.
Итак, управление осуществляется посредством сигналов.
Посигнализируем сигналами о сигналах
Я рад, что редактор после долгих споров пропустил этот подзаголовок, не выдерживающий никакой критики с литературной точки зрения. Следовало бы сказать проще: «Поговорим о сигналах». Но само слово «сигнал» имеет общий корень с английским sign, что можно перевести как знак, обозначение. Написанное слово означает некоторое понятие и, таким образом, тоже является сигналом. Ну а передача сигналов, хотя бы и на бумаге, — это сигнализация. Поэтому посигнализируем немного словами-сигналами на тему о сигналах.
Сигналы, передаваемые в электрической форме, обладают множеством достоинств. Во-первых, не требуется движущихся механических устройств, медленных и подверженных поломкам. Во-вторых, скорость передачи электрических сигналов приближаемся к максимально возможной скорости света. Наконец, в-третьих, электрические сигналы легко обрабатывать, сравнивать и преобразовывать с помощью электронных устройств, отличающихся чрезвычайно высоким быстродействием. Вот почему электрический телеграф, изобретенный в первой половине прошлого века, прочно удерживает свои позиции и не уступает их до настоящего времени в почтовых ведомствах всех стран. Телефон, созданный во второй половине прошлого века, основан на преобразовании механических колебаний частиц воздуха в электрические сигналы. Радио это тоже передача сигналов, но уже не с помощью электрического тока, текущего по проводам, а с помощью электромагнитных волн, не требующих для распространения какой-либо среды. Радиоволны лучше всего распространяются в космосе, несколько хуже — в атмосфере Земли и совсем плохо — в толщах суши и океанов (там они просто поглощаются, проникая лишь на ограниченную глубину порядка длины волны). Радиоволны — истинные приверженцы свободы и простора; вдали от поглощающих материальных тел, в безбрежных просторах открытого космоса они живут вечно. Я не утрирую. Совсем недавно открыто реликтовое (древнее) излучение, существующее столько же лет, сколько лет и нашей вселенной. Об этом я еще расскажу позже, а сейчас вернемся к сигналам, не внеземных цивилизаций, конечно (они пока не обнаружены, хотя исследования в этом направлении проводятся), а к нашим обычным, земным.
Сигнал в его простейшей форме может принимать два дискретных и вполне определенных значения. Например, на сигнальной башне огонь есть — огня нет. Яркость огня никакого значения не имеет, лишь бы огонь было ясно видно.
В телеграфной азбуке Морзе сигнал тоже может принимать только два дискретных значения: пищит-не пищит, есть ток — нет тока, передатчик излучает электромагнитную волну — не излучает.
Кстати говоря, не бывает сигнала, принимающего только одно дискретное значение. Например, если костер на башне жгут постоянно или не зажигают вовсе, то нет никакой возможности узнать, когда же вторгся неприятель.
Во всех разобранных случаях использован простейший двоичный или бинарный код. Наличие сигнала удобно обозначать символом «1», отсутствие «0». Сигналы, передаваемые двоичным кодом, удобны во многих отношениях. Как и любые цифровые дискретные сигналы, их можно регенерировать, т. е. восстановить, воссоздать их форму, искаженную помехами. Костер, загоревшийся на двенадцатой сигнальной башне, является копией первого костра, зажженного на первой башне, и несет он абсолютно тот же смысл, абсолютно то же сообщение, обозначенное нами символом «1». Не имеет значения, хорошо виден огонь или не очень, что форма костра совсем другая — это влияние помех, которое не сказывается на принятии наблюдателем решения, что костер на предыдущей башне горит. Следствием этого будет регенерация сигнала — зажигание костра на следующей башне.
Сигналы.
Так же легко регенерировать код Морзе. В простейшем случае это делает телеграфист — принимает на слух сообщение и отстукивает его ключом дальше по линии. Регенератором служит и телеграфное реле. При наличии посылки тока его контакты замыкаются и формируют новую, уже очищенную от помех посылку тока. Надо ли говорить, что электромеханические реле заменяются более надежными и быстродействующими электронными.
Телеграфные сигналы.
Другое достоинство двоичных цифровых сигналов заключается в том, что они требуют минимального отношения сигнал-помеха в канале связи. Поясним, что что такое. Когда дозорный смотрит на далекую сигнальную башню, ему мешают свет зари, мерцающий свет звезд, расположенных низко над горизонтом, зажигаемый кем-нибудь «посторонний» огонь. Для надежного распознавания полезного сигнала, т. е. света сторожевого костра, надо, чтобы его яркость была больше яркости посторонних помех. Как говорят связисты, отношение сигнал-помеха должно быть больше единицы.
То же и в электрическом телеграфе. Провода линии связи «гудят» вследствие атмосферного электричества, электризации трением от ветра, из-за случайных полей геомагнитного происхождения в телеграфных проводах наводится некоторое напряжение помех. Подземные кабели в этом отношении несколько лучше, но они дороже и все равно полностью не избавляют от помех. Даже если нет внешних наводок, тепловое движение электронов в проводнике создает хаотически изменяющееся случайное напряжение так называемый тепловой шум. Кстати, если это напряжение усилить и подвести к громкоговорителю, мы услышим шум, напоминающий шум примуса, паяльной лампы или сильного дождя. Зачем далеко ходить за примерами, каждый из нас слышал шум и помехи в телефонной трубке! Для надежной регистрации телеграфных посылок их напряжение должно быть больше напряжения шума и помех. Отношение сигнал-шум или сигнал-помеха, требуемое для получения заданного качества связи, оказывается наименьшим при использовании двоичных цифровых сигналов, поэтому говорят, что линии связи, использующие цифровой двоичный код, обеспечивают наибольшую помехоустойчивость.
