Введение в сигналы переменного тока смешанной частоты

В нашем исследовании цепей переменного тока до сих пор мы исследовали цепи, питаемые одночастотным синусоидальным напряжением. Однако во многих приложениях электроники одночастотные сигналы являются скорее исключением, чем правилом.

Довольно часто мы можем встретить схемы, в которых одновременно сосуществуют несколько частот напряжения. Кроме того, формы сигналов в цепи могут отличаться от синусоидальных, и в этом случае мы называем их несинусоидальными . формы волны .

Кроме того, мы можем столкнуться с ситуациями, когда постоянный ток смешивается с переменным током:когда форма волны накладывается на устойчивый (постоянный) сигнал.

Результатом такого микширования является сигнал различной интенсивности, но никогда не меняющий полярность, или асимметричное изменение полярности (например, проводя больше времени положительно, чем отрицательно).

Поскольку постоянный ток не меняется, как переменный, его «частота» считается равной нулю, и любой сигнал, содержащий постоянный ток вместе с сигналом переменной интенсивности (АС), также может быть справедливо назван сигналом со смешанной частотой.

В любом из этих случаев, когда в одной цепи смешиваются частоты, анализ оказывается более сложным, чем то, что мы видели до этого момента.

Связь

Иногда случайно возникают сигналы напряжения и тока со смешанной частотой. Это может быть результатом непреднамеренного соединения между цепями, называемого связью . - возможны из-за паразитной емкости и / или индуктивности между проводниками этих цепей.

Классический пример явления связи часто наблюдается в промышленности, где сигнальная проводка постоянного тока размещается в непосредственной близости от силовой проводки переменного тока. Наличие поблизости высоких напряжений и токов переменного тока может вызвать появление «посторонних» напряжений на длине сигнальной проводки.

Паразитная емкость, 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 параллельными проходами проводов в кабелепроводе, может вызывать ток от силовые проводники для индукции электромагнитного напряжения вдоль сигнальных проводников.

Результатом является смесь постоянного и переменного тока в сигнальной нагрузке. На следующей схеме показано, как источник «шума» переменного тока может «соединяться» с цепью постоянного тока через взаимную индуктивность (Mstray) и емкость (Cstray) по длине проводников. (Рисунок ниже)

Паразитная индуктивность и емкость соединяют паразитный переменный ток с желаемым сигналом постоянного тока.

Когда паразитные переменные напряжения от источника «шума» смешиваются с сигналами постоянного тока, проходящими по сигнальной проводке, результаты обычно нежелательны. По этой причине силовая проводка и проводка сигналов низкого уровня должны всегда должны проходить через отдельный специальный металлический кабелепровод, а сигналы должны проводиться через двухжильный кабель «витая пара», а не через однопроволочный провод и заземление:(рисунок ниже)

Экранированная витая пара снижает уровень шума.

Заземленный экран кабеля - проволочная оплетка или металлическая фольга, обернутая вокруг двух изолированных проводов - изолирует оба проводника от электростатической (емкостной) связи, блокируя любые внешние электрические поля, в то время как параллельная близость двух проводов эффективно нейтрализует любые электромагнитные (взаимно индуктивные) связи, потому что любое индуцированное шумовое напряжение будет примерно одинаковым по величине и противоположным по фазе вдоль обоих проводников, подавляя друг друга на приемном конце для чистого (дифференциального) шумового напряжения, почти равного нулю.

Метки полярности, расположенные рядом с каждым индуктивным участком длины сигнального проводника, показывают, как индуцированные напряжения фазируются таким образом, чтобы компенсировать 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:

Соединение сигналов переменного тока между параллельными проводниками.

Связывание - лишь один пример того, как могут смешиваться сигналы разных частот. Будь то переменный ток, смешанный с постоянным, или два переменного сигнала, смешанные друг с другом, объединение сигналов через паразитную индуктивность и емкость обычно является случайным и нежелательным.

В других случаях сигналы со смешанной частотой являются результатом преднамеренной разработки или могут быть внутренним качеством сигнала. Как правило, создавать источники сигналов со смешанной частотой довольно просто. Возможно, самый простой способ - просто подключить источники напряжения последовательно:(рисунок ниже)

Последовательное соединение источников напряжения смешивает сигналы.

Некоторые сети компьютерной связи работают по принципу наложения высокочастотных сигналов напряжения на проводники линии электропередачи с частотой 60 Гц, чтобы передавать компьютерные данные по существующей длине силовых кабелей.

Этот метод в течение многих лет использовался в сетях распределения электроэнергии для передачи данных о нагрузке по высоковольтным линиям электропередачи. Безусловно, это примеры напряжений переменного тока смешанной частоты в специально установленных условиях.

В некоторых случаях сигналы со смешанной частотой могут создаваться одним источником напряжения. Так обстоит дело с микрофонами, которые преобразуют звуковые волны давления воздуха в соответствующие формы напряжения.

Конкретное сочетание частот в сигнале напряжения, выводимом микрофоном, зависит от воспроизводимого звука. Если звуковые волны состоят из одной чистой ноты или тона, форма волны напряжения также будет синусоидальной волной на одной частоте.

Если звуковая волна представляет собой аккорд или другую гармонию нескольких нот, результирующая форма волны напряжения, создаваемая микрофоном, будет состоять из этих частот, смешанных вместе. Очень немногие естественные звуки состоят из одиночных чистых синусоидальных колебаний, а скорее представляют собой смесь колебаний разной частоты и разной амплитуды.

Основные частоты и гармоники

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

Однако, исследуя немного дальше, мы обнаруживаем, что даже одна фортепианная нота (воспроизводимая струной) состоит из одной преобладающей частоты, смешанной с несколькими другими частотами, причем каждая частота является целым числом, кратным первой (называемой гармониками , а первая частота называется основной ).

Эти термины показаны в таблице ниже с основной частотой 1000 Гц (произвольное число, выбранное для этого примера).

Для «базовой» частоты 1000 Гц:

Частота Срок 10001-я гармоника, или основная, 20002-я гармоника, 30003-я гармоника, 40004-я гармоника, 50005-я гармоника, 60006-я гармоника, 70007-я гармоника

Обертон

Иногда термин «обертон» используется для описания гармонической частоты, создаваемой музыкальным инструментом.

«Первый» обертон - это частота первой гармоники выше фундаментальный. Если бы у нас был инструмент, воспроизводящий весь диапазон гармонических частот, 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 такое применение термина «обертон» характерно для конкретных инструментов.

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

Например, инструмент, сделанный из трубки, которая открыта с одного конца и закрыта с другого (например, бутылка, издающая звук, когда воздух проходит через отверстие), не может воспроизводить четные гармоники.

Такой инструмент, настроенный для создания основной частоты 1000 Гц, также будет выдавать частоты 3000 Гц, 5000 Гц, 7000 Гц и т. Д., Но нет производят 2000 Гц, 4000 Гц, 6000 Гц или любые другие кратные частоты основной гармоники.

Таким образом, мы бы сказали, что первый обертон (первая частота выше основной) в таком инструменте будет 3000 Гц (3-я гармоника), а второй обертон - 5000 Гц (5-я гармоника) и т. Д. .

Чистая синусоида (одночастотная), полностью лишенная каких-либо гармоник, кажется человеческому уху очень «плоской» и «невыразительной».

Большинство музыкальных инструментов не способны воспроизводить такие простые звуки. Каждому инструменту свой характерный тон придает тот же феномен, который дает каждому человеку отличительный голос:уникальное смешение гармонических форм волны с каждой основной нотой, описанное физикой движения каждого уникального объекта, производящего звук.

Духовые инструменты не обладают таким же «гармоническим содержанием», как деревянные духовые инструменты, и не обладают таким же гармоническим содержанием, как струнные. Отличительное сочетание частот - вот что придает музыкальному инструменту характерный тон.

Любой, кто играл на гитаре, может сказать вам, что стальные струны имеют другой звук, чем нейлоновые. Кроме того, тон, производимый гитарной струной, меняется в зависимости от того, на каком участке ее длины выщипывают.

Эти различия в тоне также являются результатом разного гармонического содержания, возникающего из-за различий в механических колебаниях частей инструмента.

Все эти инструменты производят гармонические частоты (целые числа, кратные основной частоте) при воспроизведении одной ноты, но относительные амплитуды этих гармонических частот различны для разных инструментов. В музыкальных терминах мера гармонического содержания звука называется тембром . или цвет .

Музыкальные тона становятся еще более сложными, когда резонирующий элемент инструмента представляет собой двумерную поверхность, а не одномерную струну.

Инструменты, основанные на вибрации струны (гитара, фортепиано, банджо, лютня, цимбал и т. Д.) Или столба воздуха в трубе (труба, флейта, кларнет, туба, орган и т. Д.), Как правило, издают звуки. состоит из одной частоты («основной») и смеси гармоник.

Однако 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 неприятным.

Как видите, музыка предоставляет широкие возможности для изучения смешанных частот и их эффектов. В последующих разделах этой главы музыкальные инструменты будут упоминаться как источники сигналов для более подробного анализа.

ОБЗОР:

• A синусоидальный форма волны точно такая же, как синусоидальная волна.
• несинусоидальный Форма волны может быть любой, от искаженной синусоидальной волны до чего-то совершенно другого, например, прямоугольной волны.
• Сигналы со смешанной частотой могут быть созданы случайно, намеренно или просто существовать по необходимости. Например, большинство музыкальных тонов не состоят из синусоидальной волны одной частоты, а представляют собой богатые сочетания различных частот.
• Когда несколько форм синусоидальной волны смешиваются вместе (как это часто бывает в музыке), синусоида с самой низкой частотой называется основной . , а другие синусоидальные волны, частоты которых кратны основной частоте целых чисел, называются гармониками . .
• обертон гармоника, создаваемая определенным устройством. «Первый» обертон - это первая частота, превышающая основную, тогда как «второй» обертон - это следующая более высокая производимая частота. Последовательные обертоны могут соответствовать или не соответствовать нарастающим гармоникам, в зависимости от устройства, производящего смешанные частоты. Некоторые устройства и системы не позволяют устанавливать определенные гармоники, поэтому их обертоны могут включать только некоторые (не все) гармонические частоты.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист сигналов смешанной частоты
• Таблица взаимной индуктивности