Связь сигналов

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Аккумулятор на 6 В
• Один конденсатор, 0,22 мкФ (каталог Radio Shack № 272-1070 или аналог)
• Один конденсатор, 0,047 мкФ (каталог Radio Shack № 272-134 или аналог)
• Маленький мотор для хобби, с постоянным магнитом (каталог Radio Shack № 273-223 или аналог)
• Детектор звука с наушниками
• Длина телефонного кабеля, несколько футов (каталог Radio Shack № 278-872).

Телефонный кабель также можно приобрести в хозяйственных магазинах. Для этого эксперимента подойдет любой неэкранированный многожильный кабель. Кабели с тонкими жилами (обычно это телефонный кабель 24-го калибра) производят более заметный эффект.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 2, глава 7:«Сигналы переменного тока смешанной частоты»

Уроки электрических цепей , Том 2, глава 8:«Фильтры»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Чтобы узнать, как «связывать» сигналы переменного тока и блокировать сигналы постоянного тока с измерительным прибором.
• Чтобы узнать, как возникает паразитная связь в кабелях.
• Определить методы минимизации межкабельного взаимодействия.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Подключите двигатель к аккумуляторной батарее, используя два из четырех проводов телефонного кабеля. Двигатель должен работать, как положено. Теперь подключите детектор аудиосигнала к клеммам двигателя с конденсатором 0,047 мкФ последовательно, как показано ниже:

В наушниках должно быть слышно «жужжание» или «вой», представляющее «шумовое» напряжение переменного тока, создаваемое двигателем, когда щетки замыкают и размыкают контакт с вращающимися стержнями коллектора.

Назначение последовательного конденсатора - действовать как фильтр верхних частот, чтобы детектор принимал только напряжение переменного тока на клеммах двигателя, а не напряжение постоянного тока. Именно так осциллографы обеспечивают функцию «связи по переменному току» для измерения содержания переменного тока в сигнале без какого-либо напряжения смещения постоянного тока:конденсатор соединен последовательно с одним испытательным щупом.

В идеале на клеммах двигателя не должно быть ничего, кроме чистого постоянного напряжения, потому что двигатель подключен непосредственно параллельно с аккумулятором. Поскольку клеммы двигателя электрически являются общими с соответствующими клеммами батареи, а природа батареи заключается в поддержании постоянного напряжения постоянного тока, на клеммах двигателя не должно появляться ничего, кроме постоянного напряжения, верно?

Что ж, из-за внутреннего сопротивления батареи и по длине проводника импульсы тока, потребляемые двигателем, создают колебательное напряжение на клеммах двигателя, вызывая "шум" переменного тока, слышимый детектором:

Используйте аудиодетектор для измерения «шумового» напряжения непосредственно на батарее. Поскольку шум переменного тока создается в этой цепи из-за пульсирующих падений напряжения вдоль паразитных сопротивлений, чем меньшее сопротивление мы измеряем, тем меньшее напряжение шума мы должны обнаруживать:

Вы также можете измерить шумовое напряжение, падающее вдоль любого из проводов телефонного кабеля, подающего питание на двигатель, подключив аудиодетектор между обоими концами одного проводника кабеля. Обнаруженный здесь шум возникает из-за импульсов тока через сопротивление провода:

Теперь, когда мы установили, как создается и распространяется шум переменного тока в этой цепи, давайте посмотрим, как он связан к соседним проводам в кабеле. Используйте аудиодетектор для измерения напряжения между одной из клемм двигателя и одним из неиспользуемых проводов телефонного кабеля. Конденсатор 0,047 мкФ в этом упражнении не нужен, потому что между этими точками нет постоянного напряжения, которое детектор все равно мог бы обнаружить:

Обнаруженное здесь шумовое напряжение возникает из-за паразитной емкости между соседними проводниками кабеля, создающей «путь» переменного тока между проводами. Помните, что на самом деле ток не проходит через емкость, но чередование заряда и разряда емкости, намеренное или непреднамеренное, обеспечивает чередование нынешний своего рода путь.

Если бы мы попытались провести сигнал напряжения между одним из неиспользуемых проводов и точкой, общей с двигателем, этот сигнал был бы испорчен шумовым напряжением от двигателя. Это может быть очень вредным, в зависимости от того, сколько шума было связано между двумя цепями и насколько чувствительна одна цепь к шуму другой.

Поскольку явление первичной связи в этой цепи является емкостным по своей природе, высокочастотные шумовые напряжения связаны сильнее, чем низкочастотные шумовые напряжения.

Если бы дополнительным сигналом был сигнал постоянного тока, в котором не ожидалось переменного тока, мы могли бы смягчить проблему связанных шумов, «разделив» шум переменного тока с помощью относительно большого конденсатора, подключенного к проводникам сигнала постоянного тока. Для этой цели используйте конденсатор 0,22 мкФ, как показано на рисунке:

развязывающий конденсатор действует как практическое замыкание на любое шумовое напряжение переменного тока, не влияя при этом на сигналы постоянного напряжения между этими двумя точками. Пока емкость развязывающего конденсатора значительно превышает паразитную «связывающую» емкость между проводниками кабеля, шумовое напряжение переменного тока будет поддерживаться на минимальном уровне.

Другой способ минимизировать связанный шум в кабеле - избежать того, чтобы две цепи имели общий провод. Для иллюстрации подключите аудиодетектор между двумя неиспользуемыми проводами и прислушайтесь к шуму:

Между любыми двумя неиспользуемыми проводниками должно быть гораздо меньше шума, чем между одним неиспользуемым проводом и одним, используемым в цепи двигателя. Причина такого резкого снижения шума заключается в том, что паразитная емкость между проводниками кабеля имеет тенденцию связывать одинаковые напряжение шума на оба неиспользуемых проводов примерно в равных пропорциях.

Таким образом, при измерении напряжения между эти два проводника, детектор только «видит» разницу между двумя примерно одинаковыми шумовыми сигналами.