Структура и классификация импульсных систем

Характерная особенность импульсных систем заключается в том, что по крайней мере одна из координат (переменных) в них подвергается квантованию (прерыванию) по времени [18]. Эти квантованные по времени величины при помощи импульсной модуляции преобразуются в последовательность импульсов, которые воздействуют на непрерывную часть системы. Процесс квантования и импульсной модуляции осуществляется импульсным элементом.

Таким образом, импульсная система состоит из импульсного элемента (ИЭ) и непрерывной части (НЧ), составленной из типовых динамических звеньев (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Функциональная схема импульсной системы:

ИЭ - импульсный элемент; НЧ - непрерывная часть

В импульсной системе импульсный элемент преобразует непрерывно изменяющуюся величину в последовательность модулированных импульсов (рис. 1.2).

Рис. 1.2.Временные диаграммы изменения сигналов на входе x и

выходе x^* импульсного элемента

Процесс импульсной модуляции состоит в изменении по определенному временному закону какого-либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Основными параметрами импульсной последовательности (рис. 1.2) являются:

1) высота или амплитуда импульса А;

2) длительность или ширина импульса Т_имп ;

3) период повторения (дискретности) или период квантования импульсов Т.

Расстояние между импульсами определяется их временным положением, т.е. частотой повторения (дискретности) или частотой квантования w₀ = 2p/Т. Величина, определяющая закон модуляции, называется модулирующей величиной.

В зависимости от того, какой из параметров последовательности импульсов изменяется по закону изменения модулирующей величины, различают следующие виды импульсной модуляции:

1) амплитудно-импульсную модуляцию - АИМ (амплитуда импульса пропорциональна входному сигналу: A = f(x) при T = const, Т_имп = const);

2) широтно-импульсную модуляцию - ШИМ (длительность импульса пропорциональна входному сигналу: Т_имп = f(x) при A = const, T = const);

3) временную импульсную модуляцию - ВИМ, включающую в себя:

а) фазо-импульсную модуляцию - ФИМ (фаза, т.е. временной сдвиг импульса относительно начала периода дискретности T, пропорциональна входному сигналу: j = f(x) при A = const, T = const, Т_имп = const);

б) частотно-импульсную модуляцию - ЧИМ (частота дискретности пропорциональна входному сигналу: w₀ = f(x) при A = const, Т_имп = const).

Кроме того, различают два рода импульсной модуляции.

Если параметры последовательности импульсов изменяются в зависимости от значений модулирующей величины в фиксированные равноотстоящие друг от друга моменты времени, то такой вид модуляции называется импульсной модуляцией первого рода - ИМ I.

Если же параметры последовательности импульсов изменяются в соответствии с текущим значением модулирующей величины, то такой вид модуляции называется импульсной модуляцией второго рода - ИМ II.

Импульсный элемент производит периодическое замыкание системы на время длительности импульса Т_имп ; в оставшуюся часть периода дискретности импульсная система остается разомкнутой.

Основными параметрами импульсного элемента являются коэффициент передачи k_и, период повторения Т ( или частота повторения w₀ = 2p/Т), длительность Т_имп = gТ (или скважность g, 0 £ g £ 1) и форма выходных импульсов w(t). В зависимости от вида и рода импульсной модуляции импульсные элементы подразделяются на амплитудные, широтные и временные импульсные элементы первого и второго рода.

В зависимости от вида и рода импульсного элемента импульсные системы подразделяются на три типа:

1) амплитудные импульсные системы - АИС,

2) широтные импульсные системы - ШИС,

3) временные импульсные системы - ВИС

первого и второго рода.

В зависимости от того, соблюдается или не соблюдается принцип суперпозиции, т.е. равна или не равна реакция импульсной системы на сумму воздействий сумме реакций на каждое из воздействий порознь, импульсные системы подразделяются на линейные и нелинейные.

В линейных импульсных системах параметры импульсного элемента и непрерывной части системы не зависят от внешних воздействий и величин, характеризующих состояние системы. К линейным импульсным системам относятся АИС с линейной непрерывной частью и линейной характеристикой импульсного элемента, равной коэффициенту передачи

, (1.1)

где x - значение входной величины в дискретные моменты времени;

A - соответствующая амплитуда импульса.

В нелинейных импульсных системах параметры импульсного элемента или непрерывной части системы зависят от внешнего воздействия или величин, характеризующих состояние системы. К нелинейным импульсным системам относятся ШИС и ВИС, а также АИС с нелинейной характеристикой импульсного элемента или с нелинейной непрерывной частью.

Если в импульсной системе параметры импульсного элемента или непрерывной части изменяются во времени, то такие системы относятся к импульсным системам с переменными параметрами. Последние могут быть как линейными, так и нелинейными.

В дальнейшем будут рассматриваться линейные амплитудные импульсные системы. Для расчета широтных импульсных систем и временных импульсных систем при определенных ограничениях можно использовать методы линейных АИС.