Параметры импульсных сигналов

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Общая характеристика импульсных устройств.

Параметры импульсных сигналов

В предыдущих главах рассматривался непрерывный режим рабо­ты электронных устройств, предполагающий длительное воздействие сигналов. Однако наряду с непрерывным в электронных устройствах часто используется импульсный режим работы, при кото­ром кратковременное воздействие сигнала чередуется спаузой.

Импульсный режим работы имеет ряд преимуществ перед непре­рывным.

1. В импульсном режиме может быть достигнутазначительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней(за период их повторения) мощности устройства. Очевидно, это пре­имущество проявляется сильнее при уменьшении длительности импуль­сов по отношению к периоду их повторения. В результате габариты и масса электронной аппаратуры, определяемые в основном средней мощностью, при использовании импульсного режима могутбыть существенно снижены.

2. Импульсный режим позволяет ослабить влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу уст­ройств. Это объясняется уменьшением энергии, выделяемой в элементах импульсного устройства. Разброс параметров не отражается су­щественно на работе импульсных устройств в связи стем, что полупроводниковые приборы в них работают, как правило, в ключевом режи­ме, предполагающем два крайних состояния: «Включено» — «Выключено».

Импульсный режим позволяет значительно повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры. Пропускная способность — наибольшая возможная скоростьпередачи ин­формации, а помехоустойчивость — способность аппаратуры разли­чать сигналы с заданной достоверностью. Сигналы импульсных устройств дискретны и представляются комбинацией стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше, чем непрерывных сигналов. Выше и помехоустойчивость, так как искажение параметров импульсов (например, амплитуды) помехами не искажает информацию, заключенную в определенном сочетании импульсов.

Для реализации импульсных устройств, даже сложных(например, вычислительных машин), требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов, легко выполняемых методами инте­гральной технологии. Это позволяет повысить надежность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.

Импульсные устройства широко распространены в вычислитель­ной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышлен­ной электронике. Переход к дискретному представлению сигналов в виде сочетания импульсов в измерительной технике позволил резко повысить точность измерительных приборов. Импульсный режим ра­боты лежит в основе современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Мощные импульсы передатчиков излучаются ан­теннами радиолокаторов, а слабые, отраженные от различных объек­тов импульсы принимаются и обрабатываются приемниками, причем импульсный режим позволяет выделять сигналы, амплитуда которых значительно меньше уровня помех.

В импульсных устройствах используют импульсы различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, колоколобразные, ступенчатые и пилообразные (рис. 10.1, а—е).

Рис. 10.1. Форма видеоимпульсов:

а - прямоугольный; б — трапецеидальный; в — экспоненциальный; г — колоколообразный; д — ступенчатый; е — пилообразный

Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний (рис 10 2)

Рис. 10.2. Форма радиоимпульсов:

а — прямоугольный; б — колоколообразный

В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы.

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F = 1/Т (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Периодические импульсы

Отношение периода Т к длительности t_и импульсов называют скважностью

Скважность обычно колеблется в пределах от 2—10 (автоматика вычислительная техника) до 10 000 (радиолокация).

Приведенные на рис. 10.1 импульсы идеализированы. Реальные импульсы искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и спада импульса, а также в спаде плоской вершины импульса (рис. 10.4)

Рис. 10.4. Параметры реальных импульсов

. Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами:

амплитудой импульса А;

длительностью импульса t_и, обычно определяемой на уровне 0,1А;

длительностью фронта импульса t_ф — временем нарастания импульса от 0,1 А до 0,9 А;

длительностью среза (спада) импульса t_с — временем спада импульса от 0,9 А до 0,1 А;

неравномерностью (завалом) вер­шины импульса ΔА.

Для определения полосы пропускания устройств, предназначенных для передачи импульсных сигналов, важно знать спектральный состав этих сигналов. Периодическую последовательность импульсов характеризуют спектром в виде суммы бесконечно большого числа гармоник. Амплитудные спектры — зависимости амплитуд гармоник от частоты — различны для разных форм импульсов, их длительности и периода. На рис. 10.5 показан амплитудный спектр последовательности прямоугольных импульсов (см. рис. 10.3).

Рис. 10.5. Амплитудный спектр последовательности прямоугольных импульсов

Отдельные составляющие спектра отстоят одна от другой по оси частот на величину частоты повторения F = 1/Т. Поэтому спектр содержит постоянную составляющую А (0) и амплитуды гармоник с частотами, кратными F. Другие составляющие спектра отсутствуют. Такой спектр называют линейчатым (дискретным). В спектре рис. 10.5 отсутствуют также составляющие с частотами, кратными 1/t_и.

При увеличении частоты повторения F частотные интервалы между отдельными составляющими спектра возрастают, при уменьшении частоты повторения (F → 0, Т → ∞Г), что соответствует одиночному им­пульсу, спектр «уплотняется» и становится непрерывным, не меняя своей формы. Амплитудный спектр определяется формой импульсов.

На рис. 10.6 показаны для сравнения относительные амплитудные спектры прямоугольного 1 и колоколообразного 2 одиночных импульсов.

Рис. 10.6. Относительные амплитудные спектры одиночных прямоуголь­ного (1) и колоколообразного (2) импульсов

Спектры характеризуют активной шириной, представ­ляющей собой диапазон частот от f = 0 до f_max = F_a, в котором за­ключено 95% энергии сигнала. Для прямоугольного импульса F_a = = 2/t_и, для колоколообразного импульса F_a = = 0,25/t_и. Чтобы им­пульс почти не искажался при передаче через электрическую цепь (например, через усилитель), нужно обеспечить ширину полосы про­пускания цепи не менее F_a. Таким образом, для неискаженной переда­чи прямоугольного импульса требуется полоса 2/t_и, а колоколообраз­ного импульса — 0,25/t_и, т. е. в 8 раз меньше. Например, для прямо­угольного импульса длительностью t_и = 1мкс необходима полоса про­пускания

а для колоколообразного импульса той же длительности Δf = 250 кГц. Заметим, что ширина полосы пропускания, обеспечивающая неискаженную передачу, не зависит от частоты повторения импульсов при постоянной их длительности.