Рис. 1.20. Несимметричное (а) и симметричное (квадратное) (б) прямоугольные колебания
Прямоугольное колебание, как и другие периодические колебания, в общем случае можно рассматривать как сумму некоторой постоянной составляющей (постоянного тока) и многих синусоидальных колебаний с разными амплитудами, частотами и временным сдвигом по отношению друг к другу (рис. 1.21).
Рис. 1.21. Влияние количества гармоник на форму импульса
Углы, соответствующие взаимным сдвигам, определенные, например, относительно основной составляющей, называются фазовыми углами. Самую низкую частоту синусоидального колебания называют основной частотой. Она равна частоте данного прямоугольного колебания. Остальные синусоидальные составляющие, частоты которых являются кратными основной частоте, называются гармоническими составляющими.
Форма колебания, полученная путем суммирования синусоидальных составляющих, тем ближе к исходной, чем больше составляющих учитывается в этом процессе. Прежде всего это зависит от крутизны фронта и среза прямоугольного колебания. На практике в некоторых случаях достаточно учесть лишь несколько гармоник, а в других — при очень крутых фронте и срезе — недостаточно учета даже ста гармоник. В первом случае говорят, что частотный спектр сигнала является узким, во втором — широким. Прямоугольные колебания используют в таких областях, как цифровая и импульсная техника.
Что такое нелинейные искажения сигнала?
Это искажения, возникающие в схемах, содержащих нелинейные элементы. Гармонические нелинейные искажения связаны с появлением в выходном сигнале новых гармонических составляющих.
На рис. 1.22 приведены примеры нелинейных искажений для синусоидального сигнала. Видно, что искажения, вызывающие, например, срез вершин синусоиды, могут приводить к получению искаженного сигнала, форма которого близка к прямоугольному колебанию. Искажения этого типа зависят от амплитуды сигнала в данной схеме и обычно тем больше, чем больше амплитуда.
Количественно гармонические искажения определяются с помощью коэффициента гармоник или коэффициента нелинейных искажений. Этот коэффициент обозначается Kг и выражается в процентах. Например, в акустических устройствах содержание гармоник ограничивается несколькими процентами, а в устройствах высококачественного воспроизведения Kг < 1 %.
Рис. 1.22. Неискаженное (а) и искаженное (б, в) синусоидальные колебания
Что такое колебание пилообразной формы?
Это колебание, в котором изменение мгновенного значения протекает во времени по линейному закону (рис. 1.23). В общем случае времена нарастания Т1 и убывания Т2 мгновенного значения колебания не равны. В некоторых применениях одно из этих времен (обычно более длительное) называется рабочим или активным временем, а другое — временем возврата или пассивным временем.
Пилообразные колебания используются в телевидении, а также в устройствах с осциллографическими электронно-лучевыми трубками.
Рис. 1.23. Пилообразное колебание
Что такое шумовое колебание?
Это колебание, мгновенное значение которого изменяется во времени по случайному закону. Накладываясь на полезное колебание, оно может привести к нежелательным эффектам. Помимо внешних, посторонних помех, таких как помехи от сетей электропитания, радиостанций, атмосферных, существуют весьма нежелательные собственные помехи или шумы, возникающие внутри устройств и проявляющиеся в виде большого количества случайных импульсов со случайным распределением частот следования и фазовых углов. Это уже не периодический, а случайный, или вероятностный, процесс.
Большую роль играют тепловые и дробовые шумы. Первые возникают в элементах цепей и зависят от сопротивления элемента и его температуры, вторые — в полупроводниковых приборах и электронных лампах и связаны, в частности, со случайным движением носителей заряда или неравномерной эмиссией электронов из катода.