Лекция №10.

Виды и параметры импульсных сигналов.

 

Кратковременное изменение токов и напряжения от некоторого уровня называют электрическими импульсами. Они определяют форму импульсов: прямоугольную, треугольную колоннообразную, пилообразную ступенчатою и др. Такие импульсы называются видеоимпульсами.

В импульсных устройствах чаще всего применяются прямоугольные видеоимпульсы. Они характеризуются фронтом 1, вершиной 2 и спадом или срезом 3.

 

Рис.1.

 

Различают одиночные, непериодические и периодические импульсы. У периодических импульсов интервал времени между двумя любыми соседними импульсами, называется периодом повторения Т, если величина постоянная. Частота повторения обратно пропорциональна периоду .

Интервал времени от момента появления импульса и до момента его исчезновения – это длительность имп. , а интервал между двумя соседними импульсами – его пауза .

Отношение называют скважностью импульса. Она может составить от единиц до нескольких тысяч. Величина обратная скважности, называется коэффициентом заполнения.

Для периодических импульсов важным параметром является среднее значение импульса или постоянная составляющая последовательности импульсов.

 

Если импульс имеет прямоугольную форму, то

 

Эти выражения показывают, что амплитуды в импульсе могут значительно превышать средние значения и .

Генераторы электрических импульсов.

Генераторы электрических импульсов применяются в радиолокации, радиосвязи, телевидении, вычислительной технике и т.д.

Длительность генерируемых импульсов может составлять от единиц наносекунд до сотен миллисекунд при скважности от двух до сотен тысяч.

По способу возбуждения различают автоколебательные генераторы, генераторы с внешним возбуждением и генераторы работающие в ждущем или заторможенном режиме.

Отличительной особенностью большинства генераторов импульсов является наличие двух устойчивых состояний равновесия. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно и носит лавинообразный характер. Такой процесс называется регенеративным. Все регенеративные генераторы можно подразделить на две группы:

Спусковые устройства , или триггеры, которые не содержат реактивных элементов, а переход из одного состояния в другое происходит под действием входного напряжения.

Релаксационные генераторы импульсов, содержащие не менее одного реактивного элемента. В таких генераторах регенеративные (лавинообразные) процессы чередуются с релаксационными, т.е. медленными изменениями энергии накопления.

Разновидности релаксационных генераторов являются мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы и др.

 

Мультивибраторы.

Мультивибраторы применяются, когда нет жестких требований вырабатываемых импульсов длительности и частоты повторения.

Схема простейшего мультивибратора на дискретных элементах имеет вид:

Рис.

Схема представляет собой двухкаскадный усилитель с ПОС, замкнутый в кольцевую схему.

Если , то мультивибратор называют симметричным.

При включении источника питания и вследствии асимметрии плеч мультивибратора, коллекторный ток одного транзистора окажется больше по сравнению с коллекторным током другого тр-ра.

При это приведет к возникновению регенеративного процесса.

Рассмотренный процесс можно представить в виде символичной записи:

Процесс увеличения коллекторного тока и уменьшение

Вследствие действия ПОС процесс носит лавинообразный характер и заканчивается переходом в режим насыщения, а - в режиме отсечки.

При открытом транзисторе , конденсатор , подключен между базой и эмиттером и поддерживает его в закрытом состоянии. Закрытое состояние будет определяться временем перезаряда конденсатора С₁ по цепи: коллектор-эммитер .

В то же время происходит зарядка конденсатора С₂ по цепи: .

Обычно элементы и выбирают так, чтобы процесс зарядки конденсатора протекал быстрее, чем процесс их перезарядки.

По мере перезарядки конденсатора С₁ напряжение на нем увеличивается и в некоторый момент достигает нулевого значения. С этого момента открывается, его уменьшается и в мультивибраторе замыкается ПОС:

Этот процесс заканчивается запиранием и насыщением .

Мультивибратор приходит во 2^ое квазиустойчивое состояние равновесия, в котором начинается зарядка конденсатора С₁ по цепи:

 

и перезарядка конденсатора С₂ по цепи:

.

Графики изменений коллекторных и базовых напряжений мультивибратора будут иметь вид: (рис.)

Рис.

Время закрытого состояния тр-ра или длительность положительного импульса, снимаемого с выхода 1, определяется перезарядкой конденсатора С₂ и рассчитывается по приближенной формуле:

 

Аналогично

 

Период повторения .

 

Мультивибраторы на ИМС.

Рис.

Каждое плечо мультивибратора следует рассматривать как транзисторный ключ или логический элемент И-НЕ.

Предположим, что ЛЭ1 закрыт, а ЛЭ2 открыт. Тогда на выходе1 высокий уровень напряжения и конденсатор С₁ заряжается через резистор .

Напряжение , создаваемое на резисторе , поддерживает ЛЭ2 в открытом состоянии до тех пор, пока . Пока идет зарядка конденсатора С₁, С₂ успевает полностью разрядится через выходное сопротивление открытого ЛЭ2 и диод . Когда напряжение достигает порогового значения, ЛЭ2 начнет закрываться. Увеличение напряжения на Вых.2 через С₂ будет передано на вход ЛЭ1 и вызовет его отпирание.

При этом произойдет уменьшение напряжения на вых.1, которое через конденсатор С₁ будет передано на вход ЛЭ2 и приведет к дальнейшему уменьшению протекающего через него ток, то замыкается петля ПОС.

Схема мультивибратора на ОУ.

Рис.

В момент подключения питания , а состояние ОУ неопределенным. Предположим, что в этот момент . Следовательно на неинвертирующем входе действует положительное напряжение , а конденсатор С заряжается через сопротивление R₃.

При увеличении напряжения на конденсаторе до значения, близкого к , ОУ выходит из состояния квазиустойчивого равновесия т.е. начинается лавинообразный процесс переключения в результате которого на выходе устанавливается напряжение , а на неинвертирующем входе . Конденсатор С начинает перезаряжаться через резистор R₃.

Рис.

 

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Линейно-изменяющимся или пилообразным напряжением называется электрические колебания, содержащие участки, на которых напряжение изменяется по линейному закону, а затем возвращается к первоначальному уровню.

Такое напряжения используется для разверток ЭЛТ, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности в системах автоматического регулирования, измерительных приборов, ЭМВ и т.д.

 

Рис.

 

Параметры:

-длительность рабочего хода ;

-длительность обратного хода ;

-амплитуда ;

-период повторения Т;

-начальный уровень ;

-коэффициент нелинейности , характеризующий степень отклонения реального пилообразного напряжения от напряжения, изменяющегося по линейному закону;

,

где при ; при .

Качество работы генератора характеризуется коэффициентом использования напряжения источника питания:

.

Независимо от практической реализации все ГПН можно представить в виде единой схемы

 

Рис.

 

В исходном состоянии ключ замкнут и на С устанавливается начальный уровень напряжения.

.

При размыкании ключа конденсатор начинает заряжаться током и напряжение на нем изменяется по экспоненциальному закону:

,

где - постоянная времени зарядки.

Через время напряжение на конденсаторе достигает величины и становится равным

.

Через время ключ замыкается, и конденсатор разряжается.

Напряжение при этом на конденсаторе изменяется по закону

где .

 

Схема на биполярном транзисторе

 

Рис.

 

Схема надежна в работе но имеет малые значения и .

Действительно

 

,

 

. Обычно и раскладывая в ряд получим .