Сигнал, амплитуда, частота, фаза и децибелы

Сигнал — величина, изменяющаяся во времени и несущая информацию или энергию. Для периодического сигнала важны форма, амплитуда, среднее значение, период и частота. Если сравниваются два синусоидальных сигнала одной частоты, появляется ещё фазовый сдвиг — разность их положения во времени, выражаемая в градусах или радианах.

В электронике отношения усиления и ослабления часто выражают в децибелах. Логарифмическая шкала удобна, потому что каскадные коэффициенты перемножаются, а их значения в dB складываются. Но нужно различать формулы для мощности и для напряжения/тока при одинаковых импедансах.

• Период T — время одного повторения; частота f=1/T.
• Амплитуда может означать пик относительно среднего, а Vpp — полный размах от минимума к максимуму.
• RMS синусоидального напряжения равен Vpeak/√2 и связан с эквивалентной тепловой мощностью на резисторе.
• Фаза показывает временной сдвиг относительно выбранного опорного сигнала.
• Для отношения мощностей dB=10log10(P2/P1), для отношений напряжений при одинаковом импедансе — 20log10(V2/V1).

Если синус задержан на четверть периода, фазовый сдвиг составляет 90°. Для произвольной задержки Δt: φ=360°·Δt/T. Фаза особенно важна при анализе фильтров, обратной связи и устойчивости.

0 dB означает отношение 1, +6 dB по напряжению приблизительно соответствует удвоению амплитуды, −6 dB — уменьшению вдвое; +20 dB — десятикратному отношению напряжений. Эти приближения полезны для быстрой оценки АЧХ.

Используйте генератор и двухканальный осциллограф. Измеряйте одно и то же физическое явление разными представлениями.

1. Задайте синус известной частоты и измерьте период по сетке.
2. Рассчитайте частоту как 1/T и сравните с генератором.
3. Измерьте Vpp и вычислите Vpeak и Vrms для синуса.
4. Создайте два сигнала с известной задержкой или наблюдайте вход/выход RC-цепи и оцените фазовый сдвиг.
5. Вычислите отношение амплитуд в разах и в dB.

• Путать Vpp, Vpeak и Vrms.
• Считать 0 dB отсутствием сигнала вместо отношения 1.
• Сравнивать фазу сигналов разной частоты как постоянный угол.
• Использовать напряженческую dB-формулу при разных импедансах, не проверив связь с мощностью.

Если усилитель «теряет уровень» на высокой частоте, выражение в dB удобно для построения АЧХ. Если форма искажается, одной амплитуды недостаточно — смотрят гармоники, клиппирование и фазовые свойства.

Параметры сигнала — общий язык аналоговой и цифровой электроники. Умение переходить между временем, частотой, амплитудой и dB необходимо для фильтров, усилителей и систем обратной связи.