Электроника:Переменный ток/Сигналы переменного тока смешанной частоты/Сигналы переменного тока смешанной частоты - Введение

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Сигналы переменного тока смешанной частоты - Введение[1]

До сей поры мы изучали цепи переменного тока, питаемые одночастотным синусоидальным напряжением. Однако на практике одночастотные сигналы – скорее исключение, чем правило. Довольно часто в схемах одновременно сосуществуют несколько частот напряжения. К тому же формы сигналов могут отличаться от синусоидальных (такие мы называем несинусоидальными сигналами).

Кроме того, вполне возможна ситуация, когда постоянный ток смешивается с переменным током: в таких случаях волна накладывается на стабильный сигнал. Результатом такого микширования будет сигнал, меняющий интенсивность, но не полярность (или же полярность меняется асимметрично, т.е., к примеру, в основном будет положительной и реже – отрицательной).

Поскольку постоянный ток, в отличие от переменного, не меняется (при этом говорят, что у него нулевая частота), и любой сигнал, содержащий постоянный ток совместно с переменным, также можно с полным основанием называть сигналом со смешанной частотой.

Как бы то ни было, если в одной и той же цепи присутствует смесь частот, анализ оказывается более сложным, чем то, с чем мы имели дело до сего момента.

Связь

Иногда сигналы напряжения и тока со смешанной частотой возникают случайно. Обычно это является результатом непреднамеренных соединений (связей) между цепями, которые стали возможными из-за возникновения паразитной ёмкости/индуктивности между проводниками этих цепей.

Типичный (и весьма частый) пример подобной связи наблюдается в промышленности, когда сигнальная проводка постоянного тока размещается в непосредственной близости от силовой проводки переменного тока. Присутствие поблизости высоких переменных напряжений и высоких переменных токов может вызвать появление «посторонних» напряжений по длине сигнальной проводки.

Паразитная ёмкость, образованная электрической изоляцией, отделяющей силовые проводники от сигнальных проводов, может вызывать воздействие напряжения (по отношению к заземлению) от силовых проводов на сигнальные проводники, в то время как паразитная индуктивность, образованная параллельной укладкой проводов в кабелепроводе, может вызывать ток от силовых проводников, создающих электромагнитное наведённое напряжение вдоль сигнальных проводников.

Результатом будет смешивание постоянного и переменного тока в сигнальной нагрузке. На следующей схеме показано, как между источником «шума» переменного тока и цепью постоянного тока устанавливается связь посредством взаимной индуктивности (MПаразитн.) и ёмкости (CПаразитн.) по длине проводников.

Рис. 1. Паразитная индуктивность и паразитная ёмкость генерируют паразитный переменный ток, смешиваемый с постоянным сигналом в цепи постоянного напряжения.

Обычно ничего хорошего нет, если паразитные переменные напряжения от источника «шума» смешиваются с сигналами постоянного тока, проходящими по сигнальной проводке. Поэтому силовая проводка и проводка сигналов низкого уровня всегда должны прокладываться через отдельный выделенный металлический кабелепровод, а сигнальную проводку лучше выполнять в виде двухжильного кабеля (т.н. «витая пара»), а не в виде одиночного провода с заземлением:

Рис. 2. Экранированная витая пара снижает уровень «шумового» напряжения.

Заземлённый экран кабеля представляет собой проволочную оплётку или металлическую фольгу, в которую обернуты два изолированных провода. Тогда оба проводника защищены от электростатической (ёмкостной) связи, любые внешние электрические поля блокируются, в то время как параллельная близость двух проводов эффективно нейтрализует любые электромагнитные связи (порождаемые взаимной индукцией), потому что любые индуцированные шумовые напряжения будет приблизительно равными по величине и противоположным по фазе вдоль обоих проводников, подавляя друг друга и в итоге объединяясь в чистое (дифференциальное) шумовое напряжение, почти равное нулю.

На схеме для сигнальных проводников рядом с каждым индуктивным участком обозначена полярность, показывающая, как индуцированные напряжения фазируются таким образом, что компенсируют друг друга.

Связь также может происходить между двумя наборами проводников, несущих сигналы переменного тока, и в этом случае оба сигнала могут «смешаться» друг с другом:

Рис. 3. Связь сигналов переменного тока между параллельными проводниками.

Связь – это лишь один пример того, как смешиваются сигналы разных частот. Будь то переменный ток, смешанный с постоянным током, или два переменного сигнала, смешанные друг с другом, объединение сигналов через паразитную индуктивность и паразитную ёмкость обычно является случайным и нежелательным.

Однако иногда сигналы со смешанной частотой – преднамеренный результат или микширование является качественной характеристикой самого сигнала. Как правило, создавать источники сигналов со смешанной частотой довольно просто. Пожалуй, самый простой способ – просто последовательно подключить источники напряжения:

Рис. 4. Последовательное соединение источников напряжения приводит к смешиванию сигналов.

Некоторые компьютерные сети связи работают по принципу наложения высокочастотных сигналов напряжения на проводники линии электропередачи с частотой 60 Гц, что позволяет передавать компьютерные данные по силовым кабелям.

Этот метод в течение многих лет использовался в сетях распределения электроэнергии для передачи данных о нагрузке по высоковольтным линиям электропередачи. Само собой, это пример того, как в специальных условиях используется напряжения переменного тока смешанной частоты.

В некоторых случаях сигналы смешанной частоты могут создаваться не несколькими, а всего одним источником напряжения. Так обстоит дело с микрофонами, которые преобразуют звуковые волны давления воздуха в соответствующие формы напряжения.

Конкретное сочетание частот в сигнале напряжения, выдаваемом микрофоном, зависит от воспроизводимого звука. Если звуковые волны состоят из одной чистой ноты или по крайней мере являются однотонными, волна напряжения также будет синусоидальной и одночастотной.

Если звуковая волна представляет собой аккорд или другую гармонию из нескольких нот, результирующая волна напряжения, создаваемая микрофоном, будет состоять из этих частот, смешанных вместе. Редко случается, когда естественные звуки состоят из одиночных чистых синусоидальных колебаний, гораздо чаще это смесь колебаний разной частоты и разной амплитуды.

Фундаментальные и гармонические частоты

Музыкальные аккорды создаются путем смешивания одной частоты с другими частотами, кратными самой первой.

Далее мы увидим, что даже отдельная фортепианная нота (созданная струной, по которой ударил молоточек) состоит из одной преобладающей частоты, смешанной с несколькими другими частотами, причём каждая частота является целым числом, кратным первой (эти частоты называются гармониками, при этом самая первая частота, которой кратны все последующие, называется фундаментальной частотой).

Эти термины показаны в таблице ниже с основной частотой 1000 Гц (для этого примера выбрана произвольная цифра).

Для «фундаментальной» частоты 1000 Гц:

Частота, Гц Периоды
1000 1-я гармоника или фундаментальная частота
2000 2-я гармоника
3000 3-я гармоника
4000 4-я гармоника
5000 5-я гармоника
6000 6-я гармоника
7000 7-я гармоника

Обертон

Иногда для описания гармонической частоты, создаваемой музыкальным инструментом, используется термин «обертон». При этом фундаментальная частота называется основным тоном. «Первый» обертон – это частота первой гармоники после фундаментальной. Если бы у нас был инструмент, воспроизводящий весь диапазон частот гармоник, показанный в таблице выше, первый обертон был бы 2000 Гц (2-я гармоника), а второй обертон был бы 3000 Гц (3-я гармоника) и т.д.

Однако есть нюансы в применении термина «обертон» для некоторых музыкальных инструментов.

Бывает так, что некоторые инструменты не могут воспроизводить определённые типы гармонических частот.

Например, трубный инструмент, который открыт с одного конца и закрыт с другого (например, обычная бутылка, издающая звук, если в неё дунуть), не может воспроизводить чётные гармоники.

Если фундаментальная частота такого инструмента, к примеру 1000 Гц, то также будут выдаваться частоты 3000 Гц, 5000 Гц, 7000 Гц и т. д. При этом инструмент не будет выдавать частоты 2000 Гц, 4000 Гц, 6000 Гц или любые другие частоты, чётно кратные фундаментальной.

Тогда можно сказать, что первый обертон (то бишь первая частота, следующая за фундаментальной гармоникой) в таком инструменте будет 3000 Гц (т.е. 3-я гармоника), второй обертон – 5000 Гц (5-я гармоника) и т.д.

Чистая звуковая синусоида, характеризующая одночастотный звук, полностью лишённая каких-либо гармоник, покажется человеческому уху очень «плоской» и «невыразительной». Большинство музыкальных инструментов и не способны воспроизводить настолько примитивные одночастотные звуки. Каждому инструменту свой характерный тон придаёт тот же феномен, который даёт каждому человеку непохожий на других голос: уникальное смешение гармонических волновых форм с каждой основной нотой, описываемое физикой движения каждого уникального объекта, производящего звук.

Медные духовые инструменты обладают иным «гармоническим содержанием», чем деревянные духовые инструменты, у струнных «гармоническое содержание» тоже своё. Уникальное сочетание частот – вот что придаёт музыкальному инструменту характерный тон.

Любой, кто играл на гитаре, подтвердит, что звук у стальных струн существенно отличается от нейлоновых. Кроме того, тон, производимый гитарной струной, изменяется в зависимости от того, из какого участка её длины нота взята.

Эти тональные различия – тоже следствие разного гармонического содержания, различиями создаются за счёт различающихся механических колебаний частей инструмента. Все эти инструменты производят гармонические частоты (целочисленно кратные фундаментальной частоте) воспроизведя одинаковые ноты, но относительные амплитуды гармонических частот для разных инструментов различны. В музыкальных терминах мера гармонического содержания тона называется тембром или окраской звука.

Музыкальные тона становятся ещё более сложными, когда резонирующим элементом инструмента является двумерная поверхность, а не одномерная струна.

Инструменты, в которых извлекается звук за счёт вибрации струн (гитара, фортепиано, банджо, лютня, цимбалы и т. д.) или воздушного столба в трубе (труба, флейта, кларнет, туба, орган и т. д.), как правило, издают звуки, состоящие из одной («фундаментальной») частоты и смеси гармоник.

А вот инструменты, основанные на вибрации плоской пластины (стальные барабаны и некоторые типы колоколов), производят гораздо более широкий диапазон частот, не ограничиваясь целыми числами, кратными основной гармонике. В результате получается характерный тон, который некоторые люди считают акустически оскорбительным.

Как видите, музыка предоставляет широкие возможности для изучения смешанных частот и их эффектов. В последующих разделах этой главы мы подвергнем более глубокому анализу сигналы, источником которых являются музыкальные инструменты.

Итог

  • Волна синусоидального сигнала имеет форму правильной синусоиды.
  • Волна несинусоидального сигнал может принять какой угодно вид, от искажённой синусоиды до нечто совершенно иного, вроде квадратных волн.
  • Сигналы со смешанной частотой могут быть созданы случайно, намеренно или просто существовать в силу каких-то естественных причин. Например, большинство музыкальных тонов не состоят из синусоидальной волны одной частоты, а представляют собой богатые сочетания различных частот.
  • Когда смешиваются несколько синусоидальных волн (такое часто бывает, например, в музыке), синусоидальная волна с самой низкой частотой называется фундаментальной, а другие синусоидальные волны, частоты которых кратны ей, называются гармониками.
  • Обертон является гармонической производной конкретного устройства. «Первый» обертон – это первая частота, превышающая фундаментальную, а «второй» обертон – это следующая более высокая производимая частота. Последовательные обертоны могут как соответствовать, так и не соответствовать последовательно нарастающим гармоникам, в зависимости от устройства, производящего смешанные частоты. Некоторые устройства и системы не позволяют устанавливать определенные гармоники, поэтому их обертоны могут включать не все гармонические частоты, а только некоторые из них.

См.также

Внешние ссылки