|
|
Специальные виды импульсных сигналовСтр 1 из 5Следующая ⇒ Импульсные устройства (конспект лекций)
Введение Импульсные устройства представляют собой класс электронных устройств, оперирующих с колебаниями (сигналами) импульсного вида, т.е. действующими на ограниченном интервале времени и, возможно, повторяющимися периодически или через произвольные отрезки времени. Импульсные устройства возникли практически одновременно с появлением других технических устройств, использующих существующие тогда электронные приборы - электронные лампы. Наиболее интенсивное развитие импульсных устройств в начале 40-х годов было связано с важной прикладной задачей – созданием импульсных РЛС. Импульсные устройства в РЛС используются и в настоящее время, при этом по-прежнему используются электронные приборы СВЧ: магнетроны, ЛБВ и др. вследствие необходимости получения мощности в единицы и десятки мегаватт, что определяет требования к рабочиим напряжениям в сотни вольт и недоступно полупроводниковой технологии. Основные схемные решения классической импульсной техники, будем называть их традиционными, были воспроизведены и развиты с использованием новейших микроэлектронных технологий. При этом решаемая прикладная задача оказалась в полном смысле глобальной и привела к созданию современной компьютерной техники и электронных цифровых средств коммуникации, информации, управления и др. Наиболее существенным показателем уровня микроэлектронной технологии является минимальный размер изготавливаемого элемента микросхем. Прогресс технологии в этом отношении привел от элементов размером в десятки микрометров к субмикронной технологии. Уменьшение размеров элементов определило не только уменьшение размеров микроэлектронных изделий, но и существенное улучшение их технических показателей. Для транзисторов уменьшение размера привело к уменьшению времени диффузии и соответствующему увеличению предельной частоты. В результате уменьшения размеров элементов практически на три порядка выросли граничные частоты транзиторов от десятков мегагерц до десятков гигагерц, что обеспечило гигагерцовую производительность современных компьютеров. Одновременно снижение размеров элементов приводит к пропорциональному уменьшению паразитных ёмкостей и, следовательно, затрачиваемой на их перезаряд мощности и времени. Тем не менее, развитие микроэлектронной технологии компьютеров не исчерпывает применения импульсной техники, которая широко используется при решении разнообразных практических задач в специализированных цифровых устройствах, в том числе в устройствах управления станками, механизмами, устройствами сильноточной электротехники, бытовой технике и т.п. Знание принципов и методов конструирования импульсных устройств отличают специалиста в этой области от пользователя персонального компьютера при любом уровне программного обеспечения. Цифровые устройства используют представление анализируемых данных в цифровом коде, в подавляющем количестве случаев – двоичном. Цифровой код не является импульсным сигналом, он просто представляет набор несовместимых символов, в качестве которых обычно используются дискретные символы «0» и «1». В электронном устройстве эти символы сопоставляют с наличием или отсутствием аналоговой величины - напряжения (тока). В условиях неизбежного существования помех степень помехоустойчивости кода определяется различием напряжений на электронных элементах в состоянии «0» и «1». При передаче кодовой последовательности эти состояния сменяют друг друга, что и образует импульсный сигнал. Это определяет роль импульсных устройств как базового схемотехнического принципа построения цифровых устройств. С течением времени некоторые схемотехнические решения традиционной импульсной техники утратили своё значение, но базовые принципы сохраняются в современных микроэлектронных схемах различного уровня интеграции, используемых разработчиками разнообразных электронных устройств. Поэтому знание основ построения и правил использования импульсных устройств составляют необходимую часть подготовки специалистов в области цифровой схемотехники, что определяет целесообразность выделения раздела «Импульсные устройства» как предварительного в дисциплине «Цифровые устройства». Тема1. Основные понятия и определения импульсной техники Основной вид используемого в импульсных устройствах электрического колебания (сигнала) называется импульсом. В англоязычной литературе используются два термина Impulse и Pulse. Первый относится к одиночному финитному сигналу, имеющему выбранные по некоторому правилу точки начала и конца на оси времени (рис.1.1). Второй термин обычно относится к повторяющимся с некоторой частотой импульсным сигналам, создаваемым некоторым генератором импульсов (Pulser).
Рис. 1.1 Одиночный импульсный сигнал на практике имеет достаточно сложную форму, как на рис.1.1, определённую действием многочисленных факторов, возникающих при построении схемы и при её эксплуатации. В задачах измерения требуется использование выбранных числовых параметров, существенных для решаемой прикладной задачи. Сигнал на рис.1.1 в целом близок к прямоугольной форме. Для характеристики отклонения реального сигнала от прямоугольной функции используют различные числовые параметры. Способ отсчёта амплитуды импульса А в условиях неопределённой формы импульса достаточно произволен и на рис.1.1 принят в области горизонтального участка вершины. Вторым важным параметром является длительность импульса Существенное отличие формы импульса на рис.1.1 от прямоугольного состоит в наличии участков плавного нарастания и спада функции
При анализе свойств импульсных цепей для оценки вносимых искажений используют специальные тестовые воздействия. При этом чаще всего используется функция Хевисайда, называемая также функцией единичного скачка (рис.1.2а):
Рис. 1.2 Реакция линейной электронной схемы на воздействие в виде единичного скачка напряжения или тока (1.1) называется переходной характеристикой С использованием функции Хевисайда легко построить модель прямоугольного импульса (рис.1.2 б):
где
В математическом классе обобщённых функций в качестве воздействия на систему используется также производная по времени от единичного скачка (1.1), называемая функцией Дирака:
Реакция линейной системы на воздействие в виде
Напомним, что наиболее общим свойством линейной системы является применимость принципа суперпозиции (наложения), состоящего в том, что реакция системы на сумму каких либо воздействий равна сумме реакций на эти воздействия, приложенные раздельно. Применяя это положение, получаем, что реакция линейной схемы на воздействие в виде прямоугольного импульса представляется суммой переходных характеристик, вызываемых фронтом и спадом импульса (с соответствующей временной задержкой на время
Тема 2. Электронные ключи Специфическим элементом импульсных устройств является ключ, способный находиться в состояниях: замкнут / разомкнут. Среди элементов электронной техники такими свойствами обладают транзисторы и диоды. Их принципиальное различие в схемотехническом отношении состоит в том, что у транзистора имеются три вывода: коллектор, база, эмиттер, что позволяет с использованием одного общего провода создать раздельные цепи управляющего воздействия и управляемой (выходной) величины. Для диода, имеющего всего два вывода, такая возможность отсутствует, что существенно усложняет схемотехнические решения. В результате подавляющее большинство ключевых схем реализуется на транзисторах.
Технические показатели электронных ключей. Электронный ключ, как и любой другой (механический, оптический и др.), выполняет функцию соединения двух проводов (рис.2.1). Качество ключа определяется его сопротивлением в замкнутом состоянии, сопротивлением в разомкнутом состоянии и скоростью переключения. Практически ключ может быть представлен идеальной моделью
Рис. 2.1
Функциональное назначение схем электронных ключей Различают два класса электронных ключей. Схема на рис.2.1 предполагает замыкание ключа Второй класс электронных ключей составляют транзисторные схемы, переключаемые управляющим воздействием
Рис. 2.2 При изменении
Импульсные устройства (конспект лекций)
Введение Импульсные устройства представляют собой класс электронных устройств, оперирующих с колебаниями (сигналами) импульсного вида, т.е. действующими на ограниченном интервале времени и, возможно, повторяющимися периодически или через произвольные отрезки времени. Импульсные устройства возникли практически одновременно с появлением других технических устройств, использующих существующие тогда электронные приборы - электронные лампы. Наиболее интенсивное развитие импульсных устройств в начале 40-х годов было связано с важной прикладной задачей – созданием импульсных РЛС. Импульсные устройства в РЛС используются и в настоящее время, при этом по-прежнему используются электронные приборы СВЧ: магнетроны, ЛБВ и др. вследствие необходимости получения мощности в единицы и десятки мегаватт, что определяет требования к рабочиим напряжениям в сотни вольт и недоступно полупроводниковой технологии. Основные схемные решения классической импульсной техники, будем называть их традиционными, были воспроизведены и развиты с использованием новейших микроэлектронных технологий. При этом решаемая прикладная задача оказалась в полном смысле глобальной и привела к созданию современной компьютерной техники и электронных цифровых средств коммуникации, информации, управления и др. Наиболее существенным показателем уровня микроэлектронной технологии является минимальный размер изготавливаемого элемента микросхем. Прогресс технологии в этом отношении привел от элементов размером в десятки микрометров к субмикронной технологии. Уменьшение размеров элементов определило не только уменьшение размеров микроэлектронных изделий, но и существенное улучшение их технических показателей. Для транзисторов уменьшение размера привело к уменьшению времени диффузии и соответствующему увеличению предельной частоты. В результате уменьшения размеров элементов практически на три порядка выросли граничные частоты транзиторов от десятков мегагерц до десятков гигагерц, что обеспечило гигагерцовую производительность современных компьютеров. Одновременно снижение размеров элементов приводит к пропорциональному уменьшению паразитных ёмкостей и, следовательно, затрачиваемой на их перезаряд мощности и времени. Тем не менее, развитие микроэлектронной технологии компьютеров не исчерпывает применения импульсной техники, которая широко используется при решении разнообразных практических задач в специализированных цифровых устройствах, в том числе в устройствах управления станками, механизмами, устройствами сильноточной электротехники, бытовой технике и т.п. Знание принципов и методов конструирования импульсных устройств отличают специалиста в этой области от пользователя персонального компьютера при любом уровне программного обеспечения. Цифровые устройства используют представление анализируемых данных в цифровом коде, в подавляющем количестве случаев – двоичном. Цифровой код не является импульсным сигналом, он просто представляет набор несовместимых символов, в качестве которых обычно используются дискретные символы «0» и «1». В электронном устройстве эти символы сопоставляют с наличием или отсутствием аналоговой величины - напряжения (тока). В условиях неизбежного существования помех степень помехоустойчивости кода определяется различием напряжений на электронных элементах в состоянии «0» и «1». При передаче кодовой последовательности эти состояния сменяют друг друга, что и образует импульсный сигнал. Это определяет роль импульсных устройств как базового схемотехнического принципа построения цифровых устройств. С течением времени некоторые схемотехнические решения традиционной импульсной техники утратили своё значение, но базовые принципы сохраняются в современных микроэлектронных схемах различного уровня интеграции, используемых разработчиками разнообразных электронных устройств. Поэтому знание основ построения и правил использования импульсных устройств составляют необходимую часть подготовки специалистов в области цифровой схемотехники, что определяет целесообразность выделения раздела «Импульсные устройства» как предварительного в дисциплине «Цифровые устройства». Тема1. Основные понятия и определения импульсной техники Основной вид используемого в импульсных устройствах электрического колебания (сигнала) называется импульсом. В англоязычной литературе используются два термина Impulse и Pulse. Первый относится к одиночному финитному сигналу, имеющему выбранные по некоторому правилу точки начала и конца на оси времени (рис.1.1). Второй термин обычно относится к повторяющимся с некоторой частотой импульсным сигналам, создаваемым некоторым генератором импульсов (Pulser).
Рис. 1.1 Одиночный импульсный сигнал на практике имеет достаточно сложную форму, как на рис.1.1, определённую действием многочисленных факторов, возникающих при построении схемы и при её эксплуатации. В задачах измерения требуется использование выбранных числовых параметров, существенных для решаемой прикладной задачи. Сигнал на рис.1.1 в целом близок к прямоугольной форме. Для характеристики отклонения реального сигнала от прямоугольной функции используют различные числовые параметры. Способ отсчёта амплитуды импульса А в условиях неопределённой формы импульса достаточно произволен и на рис.1.1 принят в области горизонтального участка вершины. Вторым важным параметром является длительность импульса Существенное отличие формы импульса на рис.1.1 от прямоугольного состоит в наличии участков плавного нарастания и спада функции
При анализе свойств импульсных цепей для оценки вносимых искажений используют специальные тестовые воздействия. При этом чаще всего используется функция Хевисайда, называемая также функцией единичного скачка (рис.1.2а):
Рис. 1.2 Реакция линейной электронной схемы на воздействие в виде единичного скачка напряжения или тока (1.1) называется переходной характеристикой С использованием функции Хевисайда легко построить модель прямоугольного импульса (рис.1.2 б):
где
В математическом классе обобщённых функций в качестве воздействия на систему используется также производная по времени от единичного скачка (1.1), называемая функцией Дирака:
Реакция линейной системы на воздействие в виде
Напомним, что наиболее общим свойством линейной системы является применимость принципа суперпозиции (наложения), состоящего в том, что реакция системы на сумму каких либо воздействий равна сумме реакций на эти воздействия, приложенные раздельно. Применяя это положение, получаем, что реакция линейной схемы на воздействие в виде прямоугольного импульса представляется суммой переходных характеристик, вызываемых фронтом и спадом импульса (с соответствующей временной задержкой на время
Специальные виды импульсных сигналов 1.1.1. Периодические сигналы В ряде случаев используются периодические импульсные сигналы, повторяющиеся через заданный интервал времени В современных электронных цифровых устройствах генераторы периодических импульсных сигналов играют роль электронных часов, задающих масштаб времени достаточно сложного устройства (main generator, clock time). К таким генераторам предъявляются жёсткие требования по стабильности периода повторения. Обратим внимание на то, что на рис.1.3 импульсы существуют левее нуля (в отрицательном времени). Если импульсы появляются
Рис. 1.3 только при Обратную величину интервала повторения импульсов
При таком определении для периодического прямоугольного колебания, называемого «меандр», у которого длительность импульса 1.1.2. Радиоимпульсы Отдельный класс импульсных сигналов составляют радиоимпульсы, формируемые путём модуляции гармонического колебания достаточно высокой частоты, способного быть излученным с помощью антенны в свободное пространство и поэтому называемого несущим колебанием (рис.1.4). Обычно считается, что информация, доставляемая радиосигналом, содержится в его огибающей (штриховые линии на рис.1.4). Огибающая выделяется при детектировании радиосигнала. В традиционной радиотехнике длительность сигнала
При построении аппаратуры различие частотных свойств огибающей и несущего колебания приводит к различию задач отдельных частей радиосистемы. Приём радиосигнала, его фильтрация, усиление, вплоть до детектирования осуществляются высокочастотными блоками с собственными технологиями, которые сильно различаются в различных диапазонах частот
Рис. 1.4 Развитие технологии быстродействующих импульсных устройств и выявление новых прикладных задач привели к появлению нового класса радиосигналов, у которых в состав радиоимпульса входит лишь 2-3 квазипериода «несущей» частоты (рис.1.5). Эти сигналы не удовлетворяют предположению (1.5) и получили специальное наименование «сверхширокополосные сигналы» (СШП, UltraWideband Signals, UWB). Для сигналов типа рис.1.5 рассматривавшееся разделение аппаратуры и её функций на высокочастотную и импульсную части утрачивает смысл, традиционное детектирование также не имеет смысла и не производится. Обработка СШП радиосигналов составляет отдельное направление импульсной техники, разработка которого ещё далеко не завершена и не вполне успевает за расширяющимся применением таких сигналов [ ].
Рис. 1.5
1.1.3.Импульсы специальной формы
Многообразие прикладных задач вызывает необходимость разработки импульсных устройств, оперирующих с импульсами различной формы. За время развития импульсной техники было создано огромное количество таких устройств, формирующих импульсные сигналы с помощью специальных схем, т.е. аппаратным путём. Большинство из этих задач в настоящее время могут быть решены универсальными цифровыми устройствами с использованием соответствующего программирования, что будет рассматриваться в настоящей дисциплине. Здесь остановимся только на специальном виде импульсных сигналов: импульсах линейно нарастающего напряжения (рис.1.6). Наиболее известным является применение таких сигналов для перемещения электронного луча вдоль линии развёртки электронных осциллоскопов. Поскольку требуемые при этом напряжения составляют несколько сотен вольт, цифровой метод формирования оказывается недоступным. Поскольку осциллоскоп является измерительным прибором, точность отсчёта времени на экране определяется линейностью функции изменения напряжения во времени. Это определяет специальные требования и выделение генераторов линейного напряжения в отдельный класс приборов.
Рис. 1.6 Кроме развертки осциллоскопов линейно изменяющееся напряжение применяется в многочисленных устройствах для регистрации момента достижения уровня некоторого порогового напряжения.
  Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...  Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
. Можно условиться определять величину 
(рис.1.1). Длительность импульса определяет возможное число передаваемых импульсов в единицу времени, т.е. представляет меру информативности импульсного сигнала. Поэтому история развития импульсной электроники фактически есть борьба за сокращение длительностей используемых импульсов.
. Определение длительности этих участков обычно производят на уровнях от 0,1 до 0,9 от амплитуды А и называют их длительностью фронта 
(rise time) и спада 
(fall time). Можно также ввести количественную меру прямоугольности импульса:
.
при 
и 
при 
. (1.1)
. Эта характеристика является исчерпывающей, уникальной характеристикой исследуемой схемы и будет многократно использоваться в последующем материале.
,
. (1.2)
функции называется импульсной характеристикой системы 
. Для линейной системы справедливо соотношение (1.2), в результате переходная и импульсная характеристики связаны дифференциальной зависимостью:
. (1.3)
на рис.2.1, если его сопротивление в замкнутом состоянии много меньше, а в разомкнутом много больше сопротивления цепи 
, и время переключения много меньше времени переходного процесса в цепи, вызываемого, например, зарядом ёмкости 
.
под воздействием некоторого управляющего воздействия, в результате чего входной генератор 
присоединяется к нагрузке 
. Никаких ограничений на вид сигнала 
, создающим на входе ключа ток 
, как показано на рис.2.2.
транзистор переходит из закрытого состояния в открытое и обеспечивает включение или выключение на выход схемы 
напряжения некоторого источника питания 
. Такие схемы получили широкое распространение в цифровых устройствах, поэтому их называют цифровыми ключами. Роль ключевого элемента в таких схемах могут выполнять биполярные или МДП- транзисторы.
(рис.1.3). В классических РЛС периодический характер сигнала открывает возможность накопления энергии повторяющегося сигнала и достижения таким образом желаемой дальности работы РЛС.
, то имеет место не периодический сигнал, а включение последовательности периодических импульсов, сопровождающееся неизбежными переходными процессами.
называют частотой повторения 
(в англоязычной литературе – темп повторения (pulse repetition rate, PRR)). Существенной характеристикой периодических сигналов является соотношение периода повторения и длительности импульса, называемое скважностью:
. (1.4)
, скважность 
. Заметим, что в литературе по радиолокации, когда 
, используют приближенную оценку 
(рис.1.4). В результате ширина спектра огибающей 
оказывается много меньше несущей частоты 
и обычно рассматриваются модели сигналов, удовлетворяющие предположению об их узкополосности, которое выражается сильным неравенством:
. (1.5)
. Обработка импульсных сигналов (огибающей) производится в последетекторной части аппаратуры, что позволяет рассматривать технологию импульсных устройств независимо от радиотехнической системы.
