По прошествии некоторого времени эхо от посланного сигнала попадет на микрофон. Далее оно усилится усилителем сигнала и поступит на детектор. Как только на выходе детектора появится сигнал огибающей, он тут же заставит замолчать звуковой генератор. Так специально устроена схема. Пока на выходе детектора имеется какое-то напряжение, звуковой генератор не работает. Значит, работал генератор ровно столько, сколько времени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микро­фона. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать.

Рассмотренный цикл, состоящий из звукового импульса и паузы, будет повторяться через каждые Т с. В результате схема будет генерировать зву­ковые посылки с частотой :

Остается измерить частоту генерации и перевести ее в расстояние до препятствия. Эту задачу решает частотомер. Расстояние до препятствия равно:

где с — скорость звука в метрах за секунду, f — частота генерации в герцах.

Вот так работает мой звуковой локатор. Примерно так же работает и локатор летучей мыши.

Как и большинство кибернетических конструкций, описываемых в книге, модель звукового локатора разбита на самостоятельные платы. Всего плат три: плата усилителя сигнала, плата усилителя мощности и плата звукового генератора совместно с детектором. Начинать нужно с их изготовления и на­ладки. Тогда сборка всей аппаратуры не займет у вас много времени и ло­катор непременно сразу же заработает. При такой последовательности в ра­боте вы не только глубже поймете функционирование каждого «черного ящика», но и сможете внести усовершенствования в блок-схему. Схема ча­стотомера настолько проста, что монтируется она вся на небольшой панель­ке, укрепленной сзади стрелочного прибора.

Усилитель сигнала

Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой частоты в пре­делах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говорят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц.

Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она имеет четыре отри­цательных обратных связи. На три каскада — четыре обратных связи! Не слишком ли много?

Поскольку все обратные связи отрицательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни менялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или параметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставаться неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления.

Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбуждение схемы и тем самым ста­билизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Доста­точно незначительного отклонения от состояния равновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не придет в другое, новое для нее состояние.

Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обратной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на ри­сунке 12 (см. приложения) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивалентен устойчивой системе, охваченной отрицательной обратной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояния равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снова его займет. Что ка­сается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае поло­жение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скатится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положительной обрат­ной связью.

К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более наглядно, пожа­луй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как ведет себя не­устойчивая система.

Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три из них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена поло­жительной обратной связью.

Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный усили­тель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой каскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз.

Для чего понадобилось усложнять схему и включать резистор R_э , а па­раллельно ему еще конденсатор С_э ?

Больше всего неприятностей при работе транзистора доставляет зависи­мость обратного тока коллектора I_к.о. от температуры. При повышении тем­пературы обратный ток транзистора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, при температуре 20°С ток 1_К .₀ составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он возрастет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (всего на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но», которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи коллектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I^’ _к.о. :

I^’ _к.о. = I_к.о ·(b+1),

где b — коэффициент усиления транзистора, а I_б — ток базы, определяемый резистором R₆ .

Из формулы следует, что увеличение тока I_к.о на величину DI_к.о =35 мкА будет соответствовать, например при b = 49, увеличению тока коллектора на величину:

DI^’ _к.о. » I_к.о ·(b+1)=35(49+1)=1,75мА.

Обратный ток коллектора возрос на 35 мкА, а общий ток — на 1,75 мА. С таким током уже нельзя не считаться.

Возрастание тока коллектора нежелательно по двум причинам. Во-пер­вых, оно приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R_э -Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора при этом резко уменьшится и может упасть почти до нуля. Во-вторых, увеличение тока кол­лектора влечет за собой изменение параметров транзистора и в первую оче­редь коэффициента усиления b.

Обе разобранные причины и заставили нас прибегнуть к усложнению схемы, чтобы повысить стабильность рабочего коллекторного тока при из­менении температуры. Вот как теперь она работает.

Увеличение сквозного тока коллектора DI^’ _к.о (см. приложения, рисунок 12 «а») при повышении температуры приведет к увеличению падения напряжения на резисторе К_э . Вследствие этого напряжение между точками 1 и 2 уменьшится, что при­ведет к уменьшению тока I_б в резисторе R_б , а также и в базе транзистора. Составляющая тока коллектора I_K ⁼ I_б b при этом уменьшится. Зная, что пол­ный ток коллектора I_к состоит из двух составляющих

I_к =I^’ _к.о. +I_б ·b

можно сделать такой вывод: температурные изменения первого слагаемого (I^’ _к.о ) приведут к обратным по знаку изменениям второго слагаемого (I_б ·b). При правильном выборе параметров схемы оба слагаемых в некоторой мере компенсируют друг друга так, что коллекторный ток транзистора при этом остается неизменным.

Усилитель — это, пожалуй, самый простой «черный ящик». К тому же он чаще других встречается в кибернетических конструкциях.

Нигде обратная связь так широко не используется, как в радиоэлек­тронике.

Каждый из двух каскадов схемы «б» (см. приложения, рисунок 12) работает точно так же, как схема «а». Их работа стабилизируется отрицательной обратной связью за счет резисторов R_э1 и R_э2 - Но этого оказалось недостаточно. За счет ре­зистора Ro.c оба каскада охвачены еще третьей обратной связью. Разберем, как она работает.

Допустим, по каким-либо причинам, включая повышение температуры, несколько возрос коллекторный ток транзистора T₁ .Тут же уменьшится на­пряжение между коллектором первого транзистора и общим проводом, и как следствие упадет ток базы второго транзистора. При этом коллекторный ток Т₂ также уменьшится, что повлечет уменьшение падения напряжения на ре­зисторе R_э2 . Поскольку ток базы транзистора T₁ в основном определяется этим напряжением, то он также уменьшится.