7 Билет

Индикаторные приборы

Индикаторными приборами называют приборы, предназначенные для визуального представления информации. Важность таких приборов трудно переоценить, так как до 80% информации воспринимается человеком через органы зрения. Развитие систем программного управления, автоматического сбора и обработки информации, контрольно-измерительной аппаратуры, вычислительной техники привело к созданию множества разнообразных приборов, воспроизводящих информацию в виде, удобном для зрительного восприятия.

Электровакуумным прибором (ЭВП) называется электронный прибор, в котором проводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ. Электроды, предназначенные для испускания (эмиссии) и поглощения носителей электрического заряда, называют соответственно катодом и анодом. Характер переноса заряда между катодом и анодом можно изменять введением между ними дополнительных электродов. Число используемых в ЭВП электродов и тип носителей заряда определяют конкретные свойства прибора. Область применения ЭВП в настоящее время ограничена генераторами мощных СВЧ колебаний и индикаторными приборами. Из остальных областей ЭВП практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами.

Явление свечения некоторых материалов при бомбардировке их направленным пучком электронов используется в ЭВП, называемых электронно-лучевыми трубками. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), действие которых основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками, классифицируют по назначению и способу управления электронным пучком. В зависимости от назначения ЭЛТ подразделяют на приемные, передающие, запоминающие и др. В качестве индикаторных приборов используют приемные трубки.

По способу управления электронным пучком ЭЛТ подразделяют на трубки с электростатическим и магнитным управлением. В первых, для управления пучком электронов применяют электрическое поле, а во вторых – магнитное. Электронно-лучевые трубки с магнитным управлением получили широкое распространение в качестве устройств отображения информации – индикаторных устройств дисплеев ЭВМ.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением обеспечивают более высокие частотные свойства, поэтому их широко используют в качестве индикаторов электронных осциллографов.

Низковольтные индикаторы классифицируются: на активные (преобразование энергии электрического тока в световой поток) и пассивные (модуляция внешнего светового потока под действием электрического поля). К первому классу относятся вакуумные накаливаемые, полупроводниковые и вакуумные люминесцентные индикаторы, ко второму – жидкокристаллические индикаторы.

Вакуумный накаливаемый индикатор – электровакуумный прибор, внутри которого расположены элементы излучения в виде нитей накаливания. Из низковольтных приборов вакуумные накаливаемые индикаторы обладают самой высокой яркостью свечения, что позволяет эксплуатировать их в любых условиях внешнего освещения, вплоть до прямого солнечного света. Цвет свечения индикатора соломенно-желтый.

Полупроводниковый индикатор выполняют на основе светоизлучающих диодов. Используя различный исходный материал, можно получить светоизлучающие диоды с различным цветом свечения — от красного до зеленого. Светодиодные индикаторы изготовляют как бескорпусными, так и в металлическом, металлокерамическом или пластмассовом корпусах.

Во всех конструкциях принимают специальные меры для визуального увеличения размеров индикаторов: используют фокусирующие и диффузионные линзы, прозрачные пластмассовые корпуса, создают многократные отражения от внутренних поверхностей излучающего диода. Диаметр светового пятна индикатора составляет (1,5...4) мм.

Вакуумный люминесцентный индикатор аналогично ЭЛТ использует эффект свечения люминофора при бомбардировке его потоком электронов. Вакуумные люминесцентные индикаторы в настоящее время используются в одноразрядных и многоразрядных буквенно-цифровых, матричных, мнемонических (предназначены для отображения специальных условных знаков) и шкальных индикаторах.

Вакуумные люминесцентные индикаторы нашли широкое распространение благодаря высокой яркости и возможности получения многоцветного свечения в одном баллоне, полной электрической совместимости с интегральными схемами, малой потребляе­мой мощности и возможности создания, гибридных вакуумно-полупроводниковых дисплеев.

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) работает за счет изменения оптической плотности жидкого кристалла. По способу использования внешнего освещения ЖКИ подразделяют на индикаторы, работающие на просвет и на отражение. ЖКИ состоят из двух параллельно расположенных стеклянных пластин, на внутренних поверхностях которых нанесены пленочные электроды. Межэлектродное пространство заполнено жидкокристаллическим веществом. Один из электродов выполняется в виде рисунка отображаемого знака, а второй является общим.

Параметры электромагнитного поля

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути, являются одной сущностью.

ЭМП характеризуются следующими параметрами.

Период и частота. Периодом Т электромагнитного колебания называют наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех величин, характеризующих колебание. Число полных колебаний за единицу времени Т называется частотой f электромагнитных колебаний:

f = 1/T

Частота электромагнитного колебания (частота переменного ЭМП) имеет размерность герц (Гц). Кратными единицами являются килогерц (1 кГц = 10³ Гц), мегагерц (1 МГц = 10⁶ Гц) и гигагерц (1 ГГц = 10⁹ Гц).

Круговой частотой ω переменного ЭМП называют число колебаний, которые совершаются за 2π единиц времени:

ω = 2πf = 2π/Τ

Угловая частота имеет размерность радиан в секунду.

В технике чаше всего используют электротехническую шкалу источников ЭМП:

низкочастотные (НЧ) - от 0 до 60 Гц;

среднечастотные (СЧ) - от 60 Гц до 10 кГц;

высокочастотные (ВЧ) - от 10 кГц до 300 МГц;

сверхвысокочастотные (СВЧ) - от 300 МГц до 300 ГГц.

Скорость и длина волны. Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве (или среде) переменное электромагнитное поле. Скорость ν, м/с, распространения электромагнитной волны определяется свойствами среды:

 

где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, имеющая размерность фарада на метр (Ф/м); μ - абсолютная магнитная проницаемость среды, имеющая размерность генри на метр (Гн/м). В вакууме ε = ε₀, μ = μ₀, где ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; μ₀ = 1,257 · 10^-6 Гн/м - магнитная постоянная. В вакууме скорость волны, м/с, в соответствии с равна:

Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется фронт электромагнитной волны за время Г, равное периоду колебаний в источнике (длину волны можно также определять как ближайшее расстояние между точками ЭМП с одинаковыми фазами, м):

λ = ν/f

Интенсивность.

Е - среднеквадратическое значение напряженности электрического поля, выражаемой в вольтах на метр (В/м);

Η - среднеквадратическое значение напряженности магнитного поля, имеющее размерность ампер на метр (А/м), либо В - магнитная индукция, выраженная в тесла (Тл).

В воздухе на расстояниях от источника, больших длины волны (в дальней зоне), напряженности Е и Н связаны простым соотношением

E/H = Z₀,

где Z₀ - волновое сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.

В диапазоне частот 300 МГц...300 ГГц интенсивность ЭМП характеризуется S - плотностью потока энергии, выраженной в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Для дальней зоны справедлива формула

S = E²/377 = 377 Н². (5.17)

Пространство вокруг источника (излучателя) ЭМП условно делят на ближнюю (индукции) и дальнюю (излучения) зоны воздействия.

Ближняя зона (зона индукции). Под ближней зоной воздействия понимается зона, в которой электромагнитное (волновое) поле еще не сформировано на расстоянии r ≤ λ/6 от излучателя; как следствие этого, одна из составляющих поля намного меньше другой. В ближней зоне одна из составляющих (Е, В) поля слабо выражена. У таких источников ЭМП при воздействии на окружающую среду слабо выражена магнитная составляющая напряженности. Ближняя зона (зона индукции) ограничена сферой радиусом r = λ/6, в которой излучатель находится в центре. В ближней зоне ЭМП характеризуется электрической составляющей поля Е (В/м).

В случае одновременной работы нескольких источников в данной зоне принимается суммарное значение квадратов напряженности поля:

 

где Е_i - напряженность электрического поля i-го источника в точке измерения.

Дальняя зона (зона излучения). В дальней зоне на расстояниях существует и распространяется электромагнитное поле, и здесь выражены обе его составляющие - электрическая и магнитная, поэтому в диапазонах 9...11 частот ЭМП оценивается поверхностной плотностью потока энергии (ΠПЭ), выраженной в ваттах на квадратный метр - Вт/м² (1 Вт/м² = 0,1 мВт/см² = 100 мкВт/см²).

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн определяется поведением вектора напряженности электрического поля волны.

Виды поляризации:

1. Линейная поляризация

2. Круговая

3. Эллиптическая

Свойства поляризации электромагнитных волн, в частности света, наблюдаются экспериментально посредством пропускания исследуемого света через различные тела и измерения интенсивности прошедшего через тело света.

Вид поляризации электромагнитных волн определяется конструкцией передающей антенны. Антенны из вертикальных проводников (например, вертикальный вибратор) излучают вертикально поляризованные волны, из горизонтальных проводников – горизонтально поляризованные.

Согласованные фильтры

Согласованный фильтр — линейный оптимальный фильтр, построенный исходя из известных спектральных характеристик полезного сигнала и шума. Согласованные фильтры предназначены для выделения сигналов известной формы на фоне шумов. Под оптимальностью понимается максимальное отношение сигнал/шум на выходе фильтра, при этом форма сигнала при прохождении через фильтр изменяется.

Согласованный фильтр (СФ) — это фильтр, согласованный по частотным характеристикам с характеристиками сигнала.

Это означает, что СФ должен иметь АЧХ, тождественно равную спектральной характеристике сигнала. Тогда он пропустит сигнал и максимально отфильтрует помехи. Фазочастотная характеристика СФ должна компенсировать изменение фазы в сигнале.

Согласованный фильтр обеспечивает на выходе максимальное отношение «сигнал/шум» и фактически осуществляет вычисление корреляционной функции. Т.е. является коррелятором. Однако при создании СФ чаще используются сведения о сигнале не в форме функции времени, как в корреляторах, а в форме его спектра.

Преобразование Фурье сигнала имеет следующий вид:

где F — символ преобразования Фурье; F_s(ja> — спектр сигнала в комплексной форме; F_s(co) — амплитудно-частотный спектр (АЧХ сигнала); (p_s(co) — фазочастотный спектр (ФЧХ сигнала).

Согласованный со спектром фильтр должен иметь комплексную частотную характеристику, согласованную со спектром сигнала:

или

В момент окончания сигнала (t = T_s) СФ обеспечивает максимальное отношение «сигнал/помеха». Отклик на выходе СФ во все моменты действия сигнала соответствует корреляционной функции:

где fj — время до конца действия сигнала T_s.

ос

В момент t = T_s,t₁ =0имеем =0)= J т.е.

-ос

получили тот же результат (дисперсия), что и для коррелятора в момент t = T_s.

Согласованный фильтр инвариантен к фазе и задержке, т.е. при любой начальной фазе и задержке откликается одинаково. Для получения отклика, не зависящего от начальной фазы (для сигнала со случайной фазой), достаточно на выходе включить амплитудный детектор, который выделит огибающую отклика или огибающую автокорреляционной функции сигнала.