Электрическим импульсом называют напряжение или ток, отличающийся от нуля и имеющий постоянное значение лишь в течение короткого промежутка времени, меньшего или сравнимого с длительностью установления процессов в электрической системе, в которой действует этот ток или напряжение. В случае следующих друг за другом импульсов обычно предполагается, что интервал между ними существенно превышает длительность процессов установления.

В противном случае этот сигнал называют переменным напряжением или током сложной формы. С чисто математической точки зрения переходные процессы протекают, как известно, бесконечно долго, поэтому данное определение не совсем строго. Однако в реальных цепях длительность этих процессов не превышает 3τ, где τ - постоянная времени цепи, поэтому такое определение вполне допустимо.

Все многообразие электрических импульсов можно разделить на видеоимпульсы (рис. 1.2, а) и радиоимпульсы (рис. 1.2, б).

Рис.1.2. Видео- и радиоимпульсы

Связь между этими двумя типами импульсов состоит в том, что огибающая радиоимпульса представляет собой видеоимпульс. Частота синусоидального сигнала, которым заполнен видеоимпульс, называется частотой заполнения. Системы автоматики и управления оперируют в основном с видеоимпульсами, которые в дальнейшем будем называть просто импульсами.

Рис. 1.3. Реальный прямоугольный импульс

На рис.1.3 приведен пример реального импульса.

Основными характеристиками и параметрами импульсов являются:

• 1.Амплитуда импульса Um = А;
• 2.Активная длительность импульса (измеряется на уровне 0,1А) tИ;
• 3.Крутизна фронта sФ = dU/dt≈Um/tФ;
• 4.Крутизна спада sСП = dU/dt≈Um/tСП;
• 5.Искажение вершины импульса ΔU;
• 6.Амплитуда обратного выброса UmОБР;
• 7.Длительность обратного выброса tИ ОБР;
• 8.Мощность импульса P = W/tИ, где W - энергия импульса.

Периодически повторяющиеся импульсы образуют импульсную последовательность (рис.1.4). Она характеризуется следующими параметрами:

1.Частота импульсной последовательности ƒ = 1/Т, где T = tИ + tП;

2.Коэффициент заполнения γ = tИ/Т (диапазон изменения 0…1) и скважность Q = Т/tИ (диапазон изменения от до 1);

3.Среднее значение импульса (рис.1.5)

Рис. 1.4. Импульсная последовательность

Рис. 1.5. Определение среднего значения импульса

Импульсы имеют различную форму:

• прямоугольные,
• треугольные,
• трапецеидальные,
• экспоненциальные

и др. (рис.1.6), так же могут быть однополярными (а) и разнополярными (б) (рис.1.7). Однополярные импульсы могут быть положительными и отрицательными. Для получения импульсных последовательностей различной формы, частоты и амплитуды применяют специальные генераторы.

• Рис. 1.6. Треугольные (а),
• трапецеидальные (б),
• экспоненциальные (в) импульсы

При анализе работы систем автоматического управления и их отдельных элементов в качестве типовых возмущений используют одно из следующих.

• 1. Ступенчатое возмущение — мгновенное изменение воздействия на постоянную величину, чаще всего равную единице измерения (рис. 1.8, а). Физически система испытывает толчок. АналитическиЕдиничный скачок в момент t1 пo отношению к моменту t0 аналитически записывается в виде 1(t1 - t0).
• 2. Импульсное возмущение - это возмущение, полученное как последовательность двух одинаковых по величине, но противоположных по знаку ступенчатых возмущений, сдвинутых во времени. Особое значение имеет единичная импульсная или дельта-функция.

Дельта-функция обладает следующими свойствами:

Свойство (1.6) означает, что, несмотря на то, что функция имеет пренебрежимо малую длительность, площадь, ограниченная ей, имеет конечное значение, равное 1.

Свойство (1.7) означает, что импульсная функция, полученная как произведение произвольной функции на дельта-функцию, существует лишь в момент t1 и площадь ее равна значению функции в точке t1. Единичная импульсная функция является производной от единичного скачка.

3. Периодическое возмущение. В ряде случаев периодическое возмущение является наиболее удобным для исследования. Так, для автоматических систем, работающих в режиме незатухающих колебаний, целесообразно проводить проверку их свойств под действием периодических возмущений.Стандартным считается периодическое возмущение единичной амплитуды x(t)=sinωt. Аналоговые и дискретные сигналы имеют некоторые общие характеристики, с помощью которых они описываются. К таким характеристикам относятся: динамический диапазон, время установления и ширина спектра сигнала.

Динамический диапазон характеризуется отношением наибольшей мгновенной (пиковой) мощности к наименьшей (пороговой) мощности. Динамический диапазон является чисто физической характеристикой сигнала и не отражает смысла передаваемой с помощью этого сигнала информации. Однако его выбор определяется максимально допустимыми искажениями, которым может подвергаться сигнал в процессе формирования, передачи, обработки и приема без потери заключенной в нем информации. Наименьшая (пороговая) мощность сигнала определяется уровнем шумов и помех, которые неизбежно присутствуют в виде колебаний и скачков питающего напряжения, тепловых шумов, наводок от излучения, электромагнитных полей и т. д. При этом сигнал должен быть таким, чтобы он четко различался на уровне помех. Увеличение сигнала приводит к росту отношения сигнал-помеха, однако максимальное (пиковое) значение сигнала ограничивается как ростом затрачиваемой мощности, так и предельными характеристиками элементов и устройств, через которые происходит передача сигналов. Насыщение этих элементов приводит к искажению передаваемых сигналов, а значит и заключенной в них информации.

Время установления является динамической характеристикой сигнала и определяется временем, за которое сигнал достигнет своего установившегося значения. Этот параметр непосредственно связан с временными характеристиками устройств, формирующих сигнал, и определяется их инерционностью. Время установления можно характеризовать либо функцией времени (временной характеристикой), описывающей реальный процесс, либо функцией частоты (спектром, или рядом гармонических колебаний). При этом оба представления равносильны и взаимно дополняют друг друга, а переход от одного к другому осуществляется с помощью прямого и обратного преобразования Фурье или Лапласа. Выбор того или иного способа описания (временного или частотного) определяется исключительно назначением устройства. При этом меняется лишь точка зрения на предмет, но не сам предмет, который представляет собой объективную реальность, независимую от способа ее описания.

Кроме рассмотренных общих характеристик, различные виды сигналов характеризуются рядом дополнительных, детализирующих их параметров. У постоянного напряжения - это амплитуда, у переменного напряжения - амплитуда, частота, фаза, среднее и действующее значения. Импульсные сигналы более сложны по форме, поэтому опишем их более детально.

37-54.DOC

37. Импульсные сигналы (ИС).

ИС могут быть различной формы: прямоугольные, пилообразные, экспоненциальные и т.п.

Применение ИС обусловлено большим КПД ИУ, более высокой точностью, меньшей зависимостью от температуры, большей помехоустойчивостью, а также простотой представления информации в импульсной форме. На применении ИС основана цифровая вычислительная техника. Реальная форма прямоугольного импульса в общем случае имеет вид:

Параметрами импульсов являются:

• 
  амплитуда;
• 
  длительность импульса;
• 
  длительность фронта;
• 
  длительность среза;
• 
  спад вершины;

амплитуда импульса U M определяет наибольшее значение напряжения ИС. Длительность импульса t И – это продолжительность импульса во времени. Чаще всего ее измеряют на уровне половины амплитуды 0,5U M . Иногда t И определяется на уровне 0,1U M . При малых продолжительностях фронта и среза длительность импульса определяют по его основанию. Длительности фронта и среза – t Ф и t С – характеризуют время нарастания и спада импульса. Как правило, t Ф и t С определяются промежутками времени, изменение напряжения импульса между уровнями 0,1U M и 0,9U M . спад вершины импульса и его относительная величина / U M характеризуют уменьшение напряжения на плоской части импульса. Чем меньше t Ф,t С и , тем ближе форма импульса к идеальному и тем выше КПД ИУ.

Параметрами последовательности импульсов являются:

Периодом повторения Т называется интервал времени между одинаковыми точками двух соседних импульсов, например, между началами.

Частотой повторения f называется количество импульсов в единицу времени. Она является величиной, обратной периоду повторения:

.

t П – интервал времени между окончанием предыдущего импульса и началом последнего:

.

Q – скважность:

.

Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения :

.

38. Ключевой режим работы транзистора.

Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, т.е. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах: насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором p-n-p-типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид:

Линия нагрузки аб описывается уравнением:

. А точки ее пересечения с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в выходной цепи.

Рассмотрим режим отсечки транзистора.

Это есть режим запертого состояния, осуществляется подачей на его вход напряжения « » полярности (U BX > 0. На рисунке а без скобок). При этом эмиттерный переход транзистора запирается и его I Э = 0, а через резисторы R K и R Б протекает обратный тепловой ток коллекторного перехода I K 0 . этому режиму на ВАХ соответствует точка M З (рис. б). Значение тока I K 0 является параметром режима отсечки. Чем он меньше, тем лучше. Величину запирающего напряжения U BX выбирают из условия, чтобы при протекании I K 0 через R Б выполнялось соотношение:

(1).

Рассмотрим режим насыщения транзистора (открытого состояния).

Он достигается подачей на вход транзистора напряжения противоположной полярности (U BX < 0, на рис. а в скобках) и заданием определенной величины I Б. Этому режиму на ВАХ соответствует точка М 0 . при увеличении отпирающего I Б (от нулевого значения) рабочая точка из положения М З будет перемещаться вверх по линии нагрузки, I К расти, а напряжение U КЭ – уменьшаться. До некоторой величины (I Б нас) будет сохраняться пропорциональная связь между I К и I Б:

где

- статический или усредненный коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (а не дифференциальный , характеризующий режим малого сигнала).

Полному открытию транзистора при i Б = I Б нас соответствует точка М 0 на ВАХ. При этом через него и через резистор R К протекает ток:

(3),

где U КЭ нас падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это напряжение в зависимости от типа транзистора лежит в пределах от 50млВ до 1В, поэтому можно считать, что:

(4).

Отсюда I Б, при котором транзистор полностью открыт и насыщен:

(5).

При дальнейшем увеличении I Б остаточное напряжение U КЭ нас остается практически неизменным, т.к. все коллекторные характеристики при I Б > I Б нас проходят через точку М 0 . Режим работы открытого транзистора при i Б > I Б нас называется насыщенным, а отношение S = I Б / I Б нас – коэффициентом насыщения транзистора. В режиме насыщения транзистор устойчив к воздействию входных помех и изменение коэффициента

, например, с температурой. Коэффициент насыщения в связи с этим выбирается в пределах от 1,5 до 3.
^ 39. Импульсный режим ОУ. Компараторы.

При использовании ОУ в импульсном режиме на его входы подаются напряжения, превышающие их при работе в линейном режиме, поэтому выходное напряжение ОУ в импульсном режиме равно его максимально возможной величине U ВЫХ или U ВЫХ - .

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого U ВХ с опорным U ОП.

Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине и полярности напряжение, а входное изменяется во времени. При достижении U ВХ уровня U ОП происходит изменение полярности выходного напряжения ОУ. При U ОП = 0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода U ВХ через 0. в этом случае его еще и называют «нуль органом».

На рис. а приведена схема компаратора, на рис. б – диаграммы его работы, на рис. в – передаточная характеристика компаратора.

Выходным напряжением ОУ U 0 является: U 0 = U ВХ – U ОП, поэтому при U ВХ < U ОП, т.е. U 0 < 0, выходное напряжение ОУ: U ВЫХ = U ВЫХ, а при U ВХ > U ОП, т.е. при U 0 > 0: U ВЫХ = - U ВЫХ - .

За счет большого коэффициента усиления ОУ малейшая разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, т.е. между U ВХ и U ОП, приводит к скачкообразному изменению полярности выходного напряжения ОУ.

При изменении подключения входного и опорного напряжений по входам произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора (пунктир на рис. в).

^ 40. Триггер Шмитта на основе ОУ.

Триггером Шмитта на основе ОУ называется компаратор с гистерезисом передаточной характеристики. Это устройство также называют «пороговым».

Триггер Шмитта на ОУ реализуется при охвате его ПОС-ю по неинвертирующему входу. Его схема и передаточная характеристика имеют вид:

Переключение триггера Шмитта в состояние U ВЫХ - происходит при увеличении U ВХ до напряжения (порога срабатывания) U СР, а в состояние U ВЫХ при уменьшении U ВХ до напряжения (порога отпускания) U ОТП. Учитывая, что U 0 = 0 в моменты переключений, найдем U СР и U ОТП:

откуда ширина зоны гистерезиса (на рис.в – U Г):

Если U ОП =0, то напряжение

т.е. ширина зоны гистерезиса не изменилась, а U СР и U ОТП имеют разный знак. Т.о., передаточная характеристика в этом случае имеет вид:

Такая схема является основной для построения генераторов импульсов на ОУ. Важнейшими параметрами ОУ, работающего в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного импульса напряжения.

^ 41. Симметричный мультивибратор на основе ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы и имеющих 2 неустойчивых состояния. Мультивибраторы, как правило, используются в качестве задающего генератора, выходные импульсы которого несут какую-либо информацию. Информацией может служить частота импульсов или их период, длительность импульсов или их скважность, моменты формирования фронта или среза импульса.

Симметричным мультивибратором (СМВ) называется мультивибратор, генерирующий импульсы, длительность t И равна длительности пауз t П. Основой СМВ на ОУ служит компаратор с ПОС и нулевым U ОП.

Схема СМВ и диаграммы его работы имеют вид:

Автоколебательный режим работы создается за счет подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи, состоящей из резистора R и конденсатора C.

Принцип действия СМВ: пусть в момент времени t 0 U C – U R 1 = U 0 > 0, тогда U ВЫХ = - U ВЫХ - . На резисторе R1 напряжение:

Отрицательное напряжение на выходе ОУ обуславливает экспоненциальный заряд конденсатора С через резистор Rс полярностью, указанной на рис. а без скобок. В момент времени t 1 напряжение на конденсаторе С U С достигает величины U R 1 и напряжение U 0 меняет полярность. Это обуславливает скачкообразное изменение полярности на выходе ОУ на положительную: U ВЫХ = U ВЫХ. U R 1 также меняет свою полярность:

. В этом случае U 0 < 0, а выходное напряжение поддерживается положительным.

С момента времени t 1 конденсатор С перезаряжается через R от уровня

на положительное напряжение под действием напряжения U ВЫХ.

В момент времени t 2 U C достигает U R 1 . При малейшем превышении U С над U R 1 напряжение U 0 становится положительным, что вызывает смену полярности напряжения на выходе ОУ на отрицательную.

Частота импульсов СМВ:

(1)

Процесс перезаряда конденсатора С через резистор R под действием источника напряжения в интервале [ t 1 ; t 2 ] описывается уравнением:

(2) , где

- постоянная времени перезаряда конденсатора С.

Подставляем значения напряжений в формулу (2):

(4).

Учтем, что в момент времени t 2:

, найдем длительность импульса t И = t 2 – t 1:

Откуда:

(5), а частота импульсов:

(6).

Для большинства ОУ U ВЫХ - = U ВЫХ, тогда:

(7),

(8).

Регулирование частоты СМВ может осуществляться изменением сопротивления резистора R или изменением величины .
^ 42. Несимметричный мультивибратор на основе ОУ.

Он характеризуется тем, что длительность импульса не равна длительности паузы. Это достигается введением различных постоянных времени перезаряда во время импульса и паузы. Схема несимметричного мультивибратора и диаграмма его выходного напряжения имеет вид:

Различные постоянные времени получаются при введении неодинаковых по величине резисторов и , тогда при « » полярности U ВЫХ открыт диод VD1 и постоянная времени равна

, а при «-» полярности ток приводит диод VD2 и

. U ВЫХ при < имеет вид, приведенный на рис. е. Длительности t П и t И вычисляются по уравнению (7) с подстановкой и соответственно, а частота по формуле:

. Регулировка скважности импульсов может осуществляться установкой переменного резистора вместо (на рис. д пунктиром). При этом t И = const.

Дополнительный резистор R Д необходим для ограничения выходного тока DA1 при = 0. Регулирование скважности при постоянной частоте импульсов может осуществляться по схеме(Ж):

^ 43. Одновибраторы на основе ОУ.

Одновибратором (ОВ) называется генератор импульсов прямоугольной формы с двумя состояниями, одно из которых неустойчивое, а другое – устойчивое.

Исходное состояние – устойчивое, в нем ОВ может находиться сколь угодно долго, поэтому его называют режимом ожидания, а ОВ еще и ждущим МВ (мультивибратором).

В неустойчивое состояние ОВ переходит при воздействии внешнего короткого запускающего импульса и находится в этом состоянии в течение длительности импульса t И, определяющегося параметрами внешних навесных элементов (резисторов и конденсаторов), затем ОВ вновь переходит в устойчивое состояние. Наиболее распространенная схема ОВ и диаграммы его работы имеют вид:

Основой этой схемы служит схема по рис. а, который параллельно конденсатору С подключен к диоду VD1, за счет чего и создается ждущий режим работы. Для указанной на рис. з полярности подключения диода VD1 запускающий импульс должен быть « » полярности.

В исходном состоянии напряжение на выходе ОУ равно – U ВЫХ, поэтому:

.

А напряжение U С равно падению напряжения на открытом диоде, т.е. U С приблизительно равно 0.

При подаче в момент времени t 1 запускающего импульса « » полярности, ОУ переводится в состояние с U ВЫХ = U ВЫХ, в этом случае

, а конденсатор С начинает заряжаться через резистор R с полярностью, уже указанной на рис. з.

Напряжение U С асимптотически стремится к величине U ВЫХ, но при малейшем повышении им напряжения U R 1 схема переходит в устойчивое состояние с напряжением на выходе ОУ U ВЫХ = - U ВЫХ - . Под воздействием этого напряжения конденсатор С разряжается до нуля в интервале времени , называемым временем восстановления t В в исходное состояние. В течение длительности t И напряжение U С изменяется по формуле:

(12), где

.

В момент времени t 2 , т.е. по окончании импульса,

, откуда находим длительность импульса:

(13)

В течение интервала U С изменяется по формуле (2), где

, а

, откуда:

(14).

В момент времени t 3 , U С (t 3) = 0, откуда:

(15).

При U ВЫХ = U ВЫХ - , получим:

Сравним формулы (13) и (16), в них:

Для сокращения t B параллельно резистору R вводят цепочку VD2 и в этом случае

(разряда): или вводят транзистор, параллельно конденсатору С вместо диода VD1.

44. Блокинг-генераторы.

Блокинг-генераторы предназначены для формирования импульсов тока прямоугольной формы, относительно большой величины (до 2А) и малой длительности (от единиц мкс до нескольких сотен). Они применяются в схемах развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, в схемах формирования управляющих импульсов тиристорами и т.д.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный глубокой ПОС с помощью импульсного трансформатора. Выходной импульс формируется при насыщенном состоянии транзистора, в котором он удерживается в течение длительности импульса цепью ПОС.

Срез импульса формируется при выходе транзистора из насыщения вследствие уменьшения тока базы, либо из-за увеличения тока коллектора. В соответствии с этим различают две разновидности блокинг-генераторов: с времязадающим конденсатором в цепи ПОС и с насыщающимся трансформатором. Наибольшее распространение нашел блокинг-генератор с конденсатором в цепи ОС, схема которого имеет вид:

Транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, ПОС осуществляется через вторичную базовую обмотку W Б с коэффициентом трансформации n Б = W K / W Б, конденсатор С и резистор R, ограничивающие ток базы. Резистор R Б необходим для создания цепи перезаряда конденсатора С и задания I Б в режиме покоя. Выходной сигнал снимается либо с коллектора VT1, либо, в случае необходимости потенциального разделения генератора и нагрузки, или изменения величины напряжения на R H , с нагрузочной обмотки W H , связанной с W К коэффициентом трансформации: n Н = W K / W Н. Диод VD1 необходим для исключения попадания на нагрузку напряжения «-» полярности, возникающего при выключении транзистора. Диод VD2 и резистор R1 защищают транзистор VD1 от перенапряжений.

Диаграммы работы блокинг-генераторов:

На интервале времени транзистор закрыт, перенапряжение на его коллекторе равно –E K , напряжения на обмотках равны 0. этот режим транзистора определен запирающим напряжением на конденсаторе С, возникающим на нем во время формирования импульса. До момента t 1 конденсатор перезаряжается от цепи. Общая шина Е К, обмотка W Б, С, R и – (- Е К). В момент времени t 1 U C приблизительно = 0 и начинается отрывание VT1. из-за наличия ПОС процесс отпирания VT1 протекает лавинообразно и называется процессом регенерации или прямым блокинг-процессом. В момент времени t 1 напряжение U БЭ становится отрицательным и начинают протекать токи базы и коллектора, а U КЭ уменьшается по абсолютной величине, появляется напряжение на коллекторной обмотке W K , оно трансформируется в W Б. За счет позировки обмоток (рис.а) на W Б формируется напряжение, вызывающее увеличение I Б. Его рост вызывает увеличение I К, уменьшение U КЭ и увеличение U W k и U W б. Процесс заканчивается в момент времени t 2 переходом транзистора VT1 в режим насыщения.

Для развития регенеративного процесса необходимо выполнить условие насыщения транзистора, т.е.

(1).

Ток I K равен сумме приведенных к коллекторной обмотке трансформатора токов базы и нагрузки:

(2)

На этапе регенерации

, где U W k – напряжение на W К, r BX – входное сопротивление транзистора, а

. Подставим (2) в (1), с учетом формул для I Б и I Н и найдем условие, необходимое для развития прямого блокинг-процесса:

(3)

Длительность фронта импульса, t Ф = t 2 – t 1 в блокинг-генераторе составляет доли микросекунды. В течение интервала = t И транзистор находится в насыщении, т.е. , а I К, протекающий через W K , равен сумме трех составляющих: приведенного к коллекторной обмотке тока нагрузки

и тока базы

, а также тока намагничивания , т.е.

(4).

Обусловлен приложенным к обмотке напряжением E K формой петли гистерезиса сердечника и индуктивностью L K обмотки W K . Величину L K выбирают так, чтобы амплитуда

. При этом изменяется почти по линейному закону, что обуславливает постоянство величины U H в течение t И. В интервале t И конденсатор С заряжается от цепи W Б – общая шина – эмиттерный переход VT1 – С – R – (- W Б).

I Б убывает по экспоненциальному закону. Длительность импульса зависит от величин R, r BX , C, n Б, .

В момент времени t 3 транзистор выходит из насыщения, а в интервале = t СРЕЗА приблизительно = t ФРОНТА развивается обратный блокинг-процесс, заканчивающийся запиранием транзистора. Закрытое состояние поддерживается запирающим напряжением конденсатора С, прикладывающимся через R и W Б к VT1.

При запирании VT1 на W K возникает ЭДС самоиндукции, препятствующее уменьшению , диод VD2 открывается и энергия, запасенная в магнитном поле импульсного трансформатора рассеивается на R1.

Ток уменьшается с постоянной времени L K / R1 и в момент времени t 5 становится равным 0. величина выброса напряжения на W K:

. Величину R1 выбирают небольшой порядка десятков Ом из соображения снижения U ВЫБР.

Без цепи VD2 – R1 U ВЫБР достигает нескольких десятков Вольт. Транзистор вновь открывается, когда U C приблизительно = 0.

Длительность паузы определяется емкостью конденсатора С и величиной суммарного сопротивления R R Б цепи разряда конденсатора.

БГ, как и МВ, может работать в режимах синхронизации, деления частоты и ждущем режиме. На его основе синтезирован «двухтактный БГ» или «генератор Роера».

^ 45. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН). ГПН на одном транзисторе.

ГПН или генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначены для формирования напряжения соответствующей формы, которая используется для развертки электронного луча по экрану ЭЛТ (электронно-лучевых трубок) для получения временных задержек импульсов, модуляции импульсов по длительности и т.д.

Пилообразное напряжение (ПН) может формироваться как одной полярности, так и обеих, а также может быть как нарастающим, так и спадающим.

ЛИН характеризуется параметрами:



где

и

- скорости изменения напряжения во времени, т.е. производные, соответственно в начале и в конце рабочего участка.

Наиболее распространено ввиду простоты реализации формирование ЛИН путем заряда и разряда конденсатора через резистор. В этом случае напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненциальному закону:

(2), где

- постоянная времени зарядной цепи, которая выбирается намного больше времени t РХ.

Т.к. производная

, то коэффициент нелинейности по формуле (1) может быть найден по величинам тока через конденсатор в начале и в конце рабочего хода:

(3).

Принципиальная схема ГПН, использующего начальный участок экспоненциального заряда конденсатора, и диаграммы напряжений имеют вид:

На интервалах паузы t П входного напряжения диаграммы б. происходит разряд конденсатора С и поддержание на нем напряжения, близкого к 0, т.к. в течение t П транзистор VT1 находится в режиме насыщения за счет I Б, протекающего через R Б.

Линейно изменяющееся напряжение формируется, когда транзистор заперт входным импульсом отрицательной полярности длительностью t PX . Для данной схемы

.

Т.е. чем ниже использование напряжения источника питания, тем ниже нелинейность формируемого напряжения.

^ 46. ГПН со стабилизацией тока заряда.

Для

из (3) , что необходимо задержать конденсатор постоянным во времени током. Для этого в цепи заряда конденсатора устанавливается токостабилизирующий элемент, выполняемый обычно транзистором, включенным по схеме с ОБ или ОЭ. Принцип стабилизации тока основан на свойствах коллекторных ВАХ транзистора, согласно которым I K , т.е. ток заряда, слабо зависит от напряжения U КБ или U КЭ и I Э = const или I Б = const. Схемы со стабилизацией тока заряда позволяют полнее использовать напряжение питания. При этом U M близко к Е К, а достаточно мал.

Примером построения такого ГПН является схема:

В этой схеме с помощью стабилитрона VD1и резистора R Э задается постоянный ток эмиттера VT2.

и соответственно ток заряда конденсатора С:

.

В интервале t П транзистор VT1 открыт и насыщен через резистор R1 и через него протекает ток I K 1 = I K 2 , а напряжение на конденсаторе С близко к 0. При воздействии входного напряжения отрицательной полярности VT1 заперт, ток i C зар = I K 2 , а

линейно увеличивается. Величина отношения I K 2 / C выбирается из требований к значению U M . При U M приблизительно равном Е К получаем:

. При холостом ходе ГПН линейность выходного напряжения очень велика.

При подключении нагрузки часть зарядного тока будет ответвляться в цепь R H , причем с увеличением U C этот ток будет расти. Поэтому подключение нагрузки вызывает существенное снижение линейности напряжения и уменьшение амплитуды U M . Поэтому такие схемы применяют с высокоомной нагрузкой, либо подключают через эмиттерный или истоковый повторитель.

^ 47. ГПН на основе ОУ.

В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (менее 0,01) и низкоомным выходом строятся на основе ОУ, включенных, как правило, по схеме интегратора. Одна из таких схем и диаграммы ее работы имеют вид:

В этой схеме выходное напряжение представляет собой усиленное операционным усилителем напряжение на конденсаторе С. ОУ охвачен как ООС (R1, R2, источник Е 0), так и ПОС (R3, R4, источник Е 3). Управление работой ГПН осуществляется с помощью транзистора VT1 c напряжением U КЭ нас приблизительно = от 50 до 300 мкВ. При подаче на его базу входного импульса U BX длительностью t П (рис. 2б) транзистор насыщается, конденсатор С разряжается практически до 0 в течение времени обратного хода t OX (рис. г). В интервале t PX = t 2 – t 1 ОУ работает в линейном режиме. При допущении, что U ДИФ = U 0 = 0, имеем: U - = U = U C . Тогда для протекающего по цепи ООС тока справедливо:

, откуда:

(4).

Сумма токов в цепи ПОС равна нулю, поэтому

(5). Подставим (4) в (5) с учетом того, что

, получим:

Линейность U C зависит от соотношения сопротивлений резисторов, определяющих сомножитель при U C в (6). При R3 > (R1R4) / R2 и R3 < (R1R4) / R2 кривая напряжения U C получается соответственно вогнутой или выпуклой формы, а при R2 / R1 = R4 / R3 (7) напряжение на конденсаторе изменяется линейно во времени:

(8)

Выражение (8) с учетом (7) имеет вид:

(9).

Отсюда следует, что для схемы на рис.2 Е З > E 0 , поэтому получается нарастающее линейное напряжение.

^ 48. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН). Классификация и параметры.

Для питания электронных устройств используются источники питания, к стабильности напряжения которых предъявляются высокие требования. Для удовлетворения этих требований в качестве источников электропитания электронной аппаратуры используют стабилизаторы напряжения. По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные. В первом типе ПСН используется постоянство напряжения на некоторых видах приборов при изменении протекающего через них тока. Примером такого прибора является стабилитрон. Во втором типе ПСН задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке. По режиму работы различают ПСН непрерывного и импульсного действия.

В ПСН непрерывного действия регулирующий элемент (РЭ) работает в активном режиме и стабилизация выходного напряжения осуществляется непрерывно за счет компенсации изменения напряжения на нагрузке изменением напряжения на РЭ.

В ПСН импульсного действия РЭ работает в импульсном, т.е. ключевом, режиме. В импульсном ПСН энергия поступает от источника прерывисто. При этом возможно 2 режима регулирования напряжения на нагрузке: 1. при постоянной частоте; 2. при постоянной длительности импульсов изменением их частоты.

Импульсные стабилизаторы имеют следующие достоинства по сравнению с ПСН с непрерывным регулированием:

• 
  в несколько раз меньше мощность рассеяния регулирующего транзистора;
• 
  более высокий КПД;

Недостатки:

• 
  большая величина пульсации U ВЫХ;
• 
  большая сложность схемы;
• 
  плохие динамические свойства при импульсном изменении тока нагрузки.

ПСН непрерывного действия имеют высокий коэффициент стабилизации, низкое выходное сопротивление и малую величину пульсации выходного напряжения. По месту включения РЭ относительно нагрузки ПСН делятся на параллельные и последовательные. В первых из них регулирующий транзистор включается параллельно нагрузке, а во вторых – последовательно с ней.

Параметрами ПСН являются:

1. коэффициент стабилизации К СТ, показывающий во сколько раз отношение приращения напряжения на выходе ПСН меньше вызвавшего его относительно приращения напряжения на входе.

.

2. Выходное сопротивление R ВЫХ, характеризующее величину изменения выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки:

при U BX = const.

3. Дрейф выходного напряжения и тока, возникающий при неизменных величинах как U ВХ, так и I ВЫХ.

Как правило, величина дрейфа соотносится либо с температурой, либо со временем работы стабилизатора и измеряется как приращение U ВЫХ или I ВЫХ в заданном диапазоне температур или за единицу времени.

4. Коэффициент КПД. Он характеризует собой отношение мощности, выделяемой нагрузке в номинальном режиме к мощности, потребляемой из сети:

.

5. Допустимый диапазон регулировки выходного напряжения и тока, внутри которого сохраняется заданная степень их стабилизации. ;

6. Коэффициент пульсации выходного напряжения, равный отношению амплитуды пульсаций к среднему значению U ВЫХ:

.

^ 49. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.

По сравнению с параметрическими компенсационные ПСН имеют более высокий коэффициент стабилизации и меньшее выходное сопротивление. Их принцип действия основан на том, что изменение напряжения на нагрузке усиливается и подается на РЭ, препятствующий изменению напряжения на нагрузке.

Структурные схемы параллельного и последовательного компенсационных ПСН имеют вид:

На структурных схемах:

• 
  РЭ – регулирующий элемент;
• 
  У – усилитель постоянного тока;
• 
  ИОН – источник опорного напряжения, т.е. это источник неизменного во времени и с широком интервале температур напряжение;
• 
  R Б – баластный резистор.

Общий принцип действия стабилизатора напряжения заключается в воздействии на РЭ управляющей схемы, состоящей из усилителя У и источника ИОН. В функцию усилителя входит усиление разности напряжения на R H и ИОН и подача усиленного сигнала на РЭ.

В схеме параллельного стабилизатора напряжения (СН) стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется, как и в параметрическом СН, путем изменения напряжения на R Б за счет изменения тока РЭ. При неизменном входном напряжении постоянству напряжения нагрузки соответствует постоянство напряжения на R Б. Изменению тока нагрузки от 0 до I Hmax соответствует изменение тока РЭ от I Hmax до 0.

В схеме последовательного СН стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением напряжения на РЭ, т.е изменением сопротивления РЭ, а ток РЭ равен I H .

Наличие РЭ в обеих схемах СН обуславливает потери энергии в них. Сравним эти схемы по КПД, исходя из одинаковых условий работы по U BX , U Н и I H , а также учитывая, что потеря энергии в усилителе и ИОН значительно меньше, чем в R Б и РЭ. Для параллельного СН определяющими являются потери в R Б и РЭ, т.е.

.

Для последовательного СН определяющими являются потери в РЭ:

, т.е. на величину U BX I P меньше, чем в схеме параллельного СН.

Т.о., КПД последовательных СН существенно выше, чем параллельных. В связи с этим последовательные СН нашли большее распространение. Достоинством параллельных СН является их некритичность к перегрузкам по току и КЗ в нагрузке. В настоящее время разработано большое количество схем электронной защиты от КЗ и перегрузок для последовательных СН.

^ 50. Простейший транзисторный стабилизатор.

Схема простейшего последовательного компенсационного СН имеет вид:

В этой схеме роль ИОН выполняет стабилитрон VD1, а роль сравнивающего РЭ выполняет транзистор VT1. Выходное напряжение U H = U CT – U ЭБ.

эквивалентная схема

При отсутствии дестабилизирующих факторов транзистор работает в активном режиме, напряжение U ЭБ составляет 0,1 – 0,3 В для германиевых и приблизительно 1В для кремниевых транзисторов, т.е. U H приблизительно равно U CT .

Принцип действия СН следующий:

Пусть U H уменьшилось. В этом случае напряжение U ЭБ, равное U СТ - U H , увеличивается, ток базы повышается, U КЭ уменьшается на столько, что U H увеличивается до первоначального значения.

Аналогично работает схема при повышении U H .

Параметры СН определим с помощью его схемы замещения.

1. выходное сопротивление – оно равно выходному сопротивлению эмиттерного повторителя и при достаточно больших r K и R Б составляет:

.

2. коэффициент стабилизации по напряжению можно рассчитать по следующей приближенной формуле:

.

Отношение

, где

- коэффициент использования входного напряжения. С его учетом получаем:

. И для рассмотренной схемы К СТ U приблизительно равняется от 150 до 300.

Для реальных схем I R Б << I H , поэтому

. Величина сопротивления R Б рассчитывается по формуле:

.

^ 51. Построение регулирующих элементов ПСН.
Рассмотренная схема простейшего ПСН используется на токе нагрузки до 300мА. При больших токах нагрузки возникают трудности получения больших коэффициентов стабилизации, т.к. приходится уменьшать сопротивление R Б, а коэффициент (мощность транзисторов) сравнительно мал.

Усиление тока УПТ (усилитель постоянного тока) достигается применением составных транзисторов.

при

Эта схема имеет недостаток, заключающийся в достаточно большом напряжении U КЭ3: U КЭ3 = U КЭ1 U БЭ2 U БЭ3 , что обуславливает большие потери в транзисторе VT3.

Для уменьшения этих потерь применяют схему симметричного РЭ:

Для симметричного РЭ: U КЭ3 = U КЭ1 U БЭ2 может достигать минимального значения в 1 – 1,5 В, чем достигается значительное повышение КПД ПСН по сравнению с несимметричной схемой РЭ.

^ 52. Стабилизаторы напряжения на основе ОУ.
Высокие качественные показатели имеют ПСН, в качестве УПТ которых применены ОУ в интегральном исполнении. Улучшение параметров ПСН при применении в них ОУ обуславливается высоким коэффициентом усиления ОУ и глубокой ООС, охватывающей стабилизатор.

Принципиальная схема ПСН на основе ОУ имеет вид:

РЭ выполнен на транзисторе VT1, в качестве УПТ применен ОУ DA1.

Неинвертирующий вход ОУ подключен к параметрическому стабилизатору на резисторе R2 и стабилитроне VD1, служащему источником опорного напряжения. С делителя R3, R4, R5 снимается часть выходного напряжения, которое в ОУ сравнивается с опорным напряжением. Выход ОУ подключен к базе VT1, включенного по схеме с ОК, что обуславливает более низкое выходное сопротивление ПСН, чем при включении VT1 по схеме с ОЭ.

Резистор R1 служит для ограничения выходного тока ОУ, а с помощью резистора R4 можно регулировать выходное напряжение ПСН.

На входе стабилизатора включается конденсатор С 1 большой емкости для сглаживания пульсации входного напряжения при условии питания его от выпрямителя.

Работа приведенной схемы осуществляется следующим образом: потенциал эмиттера VT1 равен выходному напряжению, следовательно, для нормальной работы транзистора VT1 потенциал его базы должен быть выше на 0,6 – 1 В, чем выходное напряжение. В результате питание ОУ должно быть на 2 – 3 В больше потенциал базы и на 3 – 5 В больше выходного напряжения. Поэтому плюс питания ОУ подключен не к стабилизированному плюсу выходного напряжения, а к плюсу входного напряжения, которое также должно быть выше выходного на 3 –5 В, что обуславливает достаточно большие потери на РЭ.

Вторая причина подключения « » питания ОУ не к « » выходного напряжения заключается в том, что при этом стабилизатор не запустится, т.к. без питания ОУ не выдает выходного напряжения и транзистор VT1 остается запертым. В номинальном режиме, когда выходное напряжение равно заданному, напряжение между выходами ОУ приблизительно равно 0. предположим, что выходное напряжение по какой-либо причине уменьшилось. Напряжение на неинвертирующем входе, равное напряжению стабилизации VD1, останется практически неизменным, а на инвертирующем входе уменьшится, т.е. его потенциал станет ниже потенциала на неинвертирующем входе.

Отрицательное приращение напряжения на инвертирующем входе усиливается операционным усилителем и инвертируется, поэтому изменение выходного напряжения ОУ имеет положительный знак, т.е. потенциал базы VT1 увеличивается, токи базы, коллектора, эмиттера возрастают, U КЭ падает, а выходное напряжение стабилизатора увеличивается до прежнего заданного значения.

Аналогично происходит стабилизация выходного напряжения при его повышении, только приращения токов и напряжений имеют противоположный знак. Для дополнительного сглаживания пульсаций параллельно делителю R3 – R5 устанавливают конденсатор емкостью в несколько десятков мкФ. Из условия U 0 = 0 в номинальном режиме работы ПСН найдем величину выходного напряжения:

Из схемы ПСН видно, что регулирование выходного напряжения не может быть ниже U ОП, т.к. в этом случае VD1 перестанет стабилизировать напряжение.

^ 53. Двухполярные ПСН на основе ОУ.
Для питания ОУ и устройств на них применяются, как правило, двухполярное напряжение. Для его получения могут использоваться 2 одинаковых ПСН, построенных по рассмотренной схеме:

Для такого сдвоенного ПСН необходимы потенциально развязанные обмотки трансформатора и 2 выпрямительных моста, т.е. аппаратурные затраты достаточно велики. Несколько снизить их позволяет построение второго ПСН по схеме стабилизации минусовой шины питания.

В таком ПСН стабилизация напряжений положительной и отрицательной полярностей осуществляется независимо, т.к. при снижении одного из напряжений второе остается неизменным. Такое регулирование имеет недостаток: в этом случае общая шина перестает быть средней точкой выходного напряжения, т.е. половиной общего суммарного выходного напряжения. От такого недостатка избавлены ПСН, построенные по схеме «ведущей – ведомой». Такая схема имеет меньшие аппаратурные затраты и позволяет одним переменным резистором регулировать одновременно обе полярности выходного напряжения.

Эта схема отличается от предыдущей тем, что у нижнего по схеме ведомого ПСН отсутствует ИОН, а делитель в цепи инвертирующего входа состоит из двух одинаковых по величине резисторов, включенных на полное выходное напряжение. В номинальном режиме потенциал средней точки делителя R7 – R8 будет равен потенциалу общей шины, т.е. 0. Т. о., U ДИФ2 = U 02 = 0. При уменьшении отрицательного U ВЫХ2 потенциал инвертирующего входа DA2 становится положительным. Это напряжение усиливается и инвертируется, поэтому U ВЫХ DA2 становится более отрицательным; токи базы, коллектора, эмиттера увеличиваются, U КЭ VD2 падает, а U ВЫХ увеличивается до номинального значения.

При уменьшении положительного U ВЫХ1 из-за внешних факторов или за счет регулировки резистором R4 потенциал средней точки делителя R7 – R8 становится отрицательным. Это напряжение усиливается и инвертируется ОУ DA2. его выходное напряжение становится более отрицательным. В результате U БЭ2 падает, его токи базы, коллектора, эмиттера уменьшаются, а U КЭ2 возрастает до тех пор, пока потенциал средней точки делителя R7 – R8 не станет равным 0. это произойдет при U ВЫХ1 = U ВЫХ2 .

^ 54. Защита ПСН на основе ОУ от перегрузок по току и КЗ в нагрузке.
Перегрузки по току в полупроводниковых ПСН возникают при недопустимом снижении сопротивления нагрузки и при КЗ выхода стабилизатора. При этом ток через РЭ увеличивается до недопустимой величины и он выход из строя. Впоследствии из строя могут выйти ОУ, выпрямитель, трансформатор. Для предотвращения выхода из строя элементов стабилизатора в его схему вводится защита по току. Структурная схема защиты имеет вид:

На схеме:

• 
  RS1 – шунт (датчик тока);
• 
  УПТ – усилитель постоянного тока;
• 
  ИУ – исполнительное устройство;

Работа защиты осуществляется следующим образом: в номинальном режиме работы стабилизатора через сопротивление нагрузки и шунт RS1 протекает ток I H ном, не превышающий величины тока защиты I З (установлен).

В УПТ ток через RS1 или пропорциональные ему падения напряжения на RS1 сравниваются с величиной U З или I З и превышение тока через RS1 над I З вызывает появление сигнала на выходе УПТ и срабатывание ИУ, которое либо разрывает цепь нагрузки, выключая РЭ, либо подзапирает регулирующий транзистор. Т.о., защита может осуществляться двумя способами: 1. полное обесточивание нагрузки, т.е. отсечка тока нагрузки; 2. ограничение тока нагрузки на определенном уровне.

В качестве элементов защиты, как правило, используются полупроводниковые элементы и иногда электромагнитные реле.

Схема стабилизатора с защитой по второму способу имеет вид:

Защита с ограничением тока основана на форме входной характеристики кремниевого транзистора, имеющей вид:

Точка перегиба входной характеристики U ПОР (пороговое) характеризует напряжение между базой и эмиттером, выше которого наблюдается быстрый рост тока базы, поэтому при превышении током I H значение I З = U ПОР / RS1, I Б начинает резко увеличиваться, VD2 входит в насыщение, при котором U КЭ2 приблизительно = 0, и шунтирует эмиттерный переход VT1 в запирающем направлении, поэтому I Э VT1 не может превышать заданной величины I З. В качестве VT2 необходимо выбирать кремниевый транзистор с частотными свойствами не хуже, чем у VT1. элементы RS1 и VT2 могут быть включены в общую шину питания.

Полное запирание РЭ по первому способу защиты можно осуществить, если базу VT1 подключить к общей шине стабилизатора через очень малое сопротивление. При этом в качестве элемента защиты можно использовать тиристор VS1 (транзисторный триггер). Схема будет иметь вид, изображенный пунктиром.

Импульсные сигналы и их параметры

Под электрическим импульсом будем понимать кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого начального уровня. Импульсы постоянного тока или напряжения называют видеоимпульсами , в отличие от радиоимпульсов , которые представляют собой отрезок гармонического колебания, амплитуда которого изменяется по некоторому закону. На практике используются прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, экспоненциальные, колоколообразные импульсы, а также импульсы с экспоненциальным нарастанием и спадом.

У прямоугольных и трапецеидальных импульсов различают следующие участки (рис.1):

фронт импульса (АВ ) – участок быстрого отклонения напряжения или тока от исходного уровня;

вершина импульса (ВС);

срез импульса (CD ) – участок быстрого возврата напряжения или тока к исходному уровню;

основание импульса (AD ).

Полярность импульса определяется знаком отклонения напряжения или тока от исходного уровня. Используются также понятия положительный и отрицательный перепад (фронт) импульса , под которым понимают фронт или срез соответствующей полярности.

Импульсы прямоугольной формы характеризуются длительностью импульса t и, начальным уровнем U 0 и амплитудой U m .

Импульсы трапецеидальной формы характеризуются длительностью фронта t ф, длительностью среза t с, длительностью импульса по основанию t ио, длительностью импульса по вершине t ив, длительностью импульса по некоторому заданному уровню t и, начальным уровнем U 0 и амплитудой U m , а также крутизной фронта v ф = U m / t ф и крутизной среза v с = U m / t с.

Реальные импульсы имеют форму, отличающуюся от рассмотренных идеализированных импульсов, и характеризуются следующими параметрами:

	начальный уровень;
U m -	амплитуда импульса;
	длительность фронта – время быстрого отклонения напряжения или тока от уровня 0,1U m до уровня 0,9U m ;
	длительность среза – время быстрого отклонения напряжения или тока от уровня 0,9U m до уровня 0,1U m ;
	скол вершины импульса , оценивается или в вольтах или в процентах от амплитуды импульса U m ;
U ов -	амплитуда обратного выброса ;
t ов -	длительность обратного выброса ;
	амплитуда выброса на вершине импульса ;
	длительность выброса на вершине импульса ;
	длительность импульса по заданному уровню (обычно по уровню 0,5U m ).

Длительность импульса по уровню 0,5U m называют активной .

Импульсы пилообразной (треугольной) формы не имеют вершины и характеризуются начальным уровнем U 0 , амплитудой U m , временем нарастания t н, временем спада t сп, а также скоростью нарастания v н = U m / t н и скоростью спада v сп = U m / t сп. Важнейшим параметром таких импульсов является коэффициент нелинейности пилообразного напряжения К н, который характеризует изменение скорости нарастания или спада пилообразного напряжения в начале и конце соответствующего временного интервала:

.

Периодическая последовательность импульсов характеризуется длительностью импульса t и, длительностью паузы t п, периодом повторения Т , частотой повторения F = 1/ T , скважностью импульсов Q = T / t и, коэффициентом заполнения К з = t и / T = 1/Q .

Периодическую последовательность прямоугольных импульсов, у которой длительность импульсов t и равна длительности паузы t п (Q = 2), называют меандром .

Измерение длительности импульса и периода повторения производится известными методами, например с помощью осциллографа. Для точного измерения этого коэффициента необходимо определить форму огибающей импульса (после детектирования), внести поправку на нелинейность детектора, измерить площадь импульса и определить амплитуду эквивалентного прямоугольного импульса. Поправку на нелинейность детектора определяют с помощью генератора стандартных сигналов; выходное напряжение детектора калибруют в зависимости от мощности на входе.
К опреде - соседних импульса (. В этом случае по масштабной сетке измеряются расстояния. Измерение длительности импульсов методом дискретного счета изложено в разделе измерений временных интервалов.
Измерение длительности импульса аналогично измерению периода.
К определению длительности импульса. Измерение длительности импульсов методом дискретного счета изложено в разделе измерений временных интервалов.
Измерение длительности импульсов и других временных характеристик электрических сигналов выполняется при помощи калибраторов длительности - генераторов светящихся меток. Частота развертки обычно приблизительно известна по делению шкалы, против которого установлен указатель переключателя. Если на экране изображен синусоидальный или другой периодический сигнал и требуется определить его частоту, необходимо количество периодов колебания умножить на частоту развертки.
Структурная схема прибора в режиме измерения периода. Измерение длительности импульсов (рис. 17) аналогично схеме измерения периода, разница в том, что длительность строб-импульса равна длительности входного импульса.
Для измерения длительности импульсов в схеме имеется калибратор длительности, собранный на лампе Л86, в катоде которого имеются резонансные контуры.
Измерение интервала [ IMAGE ] Измерение интервала. Для измерения длительности импульса калибрационные метки накладываются на его изображение путем подачи их на пластины у (рис. 166, а) или на модулирующий электрод трубки. Соответствующие осциллограммы показаны на рис. 166, бив.
Для измерения длительности импульса применяют электронную схему, выходное напряжение которой пропорционально длительности импульса и, следовательно, размеру изделия.
Измерение интервала [ IMAGE ] Измерение интервала. Для измерения длительности импульса кадибрационные метки накладываются на его изображение путем подачи их на пластины (рис. 150, а) или на модулирующий электрод трубки.

Для измерения длительности импульса помехи может быть применен цифровой измеритель временных интервалов. Однако необходим режим однократного измерения.
Для измерения длительности импульса тока осциллографами необходимо иметь масштаб времени. В случае применения магнитоэлектрического осциллографа это выполняется путем одновременной записи двух кривых: импульса тока и напряжения переменного тока известной частоты. В осциллографе МПО-2 для этой цели служит специальный отметчик времени - вибратор, на который подается напряжение с частотой 500 гц. Для измерения длительности импульсов машин переменного тока отметчик времени не обязателен, так как по числу периодов тока (один период равен 0 02 сек) может быть подсчитана длительность импульса. Для измерения длительности импульсов и пауз при роликовой сварке масштаб времени необходим во всех случаях.
Измерение интервала времени между двумя импульсами с использованием фиксированных меток (а и подвижной метки (б.| U. Метки времени при измерении длительности импульса. Для измерения длительности импульса метки времени накладываются на его изображение путем подачи напряжения генератора меток на пластины Y или на модулирующий электрод трубки.
Точность измерения длительности импульсов перечисленными методами в значительной степени определяется линейностью развертки.
Ошибка измерения длительности импульсов не превышает этих же величин. Влияние разной величины эффективной длины отверстия в различных местах сечения также невелико, так как с увеличением длины отверстия влияние краевых эффектов уменьшается, распределение же импульсов по длительности существенно не изменяется. Таким образом, различную длительность импульсов можно объяснить лишь неодинаковыми величинами скоростей на разных / расстояниях от оси отверстия, что непосредственно вытекает из законов гидродинамики.
При измерении длительности импульсов открытие ключа производится передним фронтом, а закрытие-задним. При измерении интервалов времени между импульсами открывает ключ первый импульс, закрывает - второй. Измеряемые величины при этом подаются на один из входов прибора. В остальном работа прибора происходит так же, как при измерении угла сдвига фаз.
Область неопределенности при измерении задержки и ширины прямоугольного импульса.| К вычислению ошибок измерения длительности и задержки трапецеидального импульса. При измерении длительности импульса также важно знать предельную точность, которая достигается при уменьшении тф.
Большую точность измерения длительности импульсов позволяет получить метод, основанный на подсчете числа колебаний высокочастотного генератора, поданных на счетчик за время прохождения импульса. В этом случае счетчик может отпираться и запираться напряжением триггера / (фиг.
Характеристики измерителей энергетических параметров ОКГ. Распространенным методом измерения длительности импульсов является предварительное преобразование их в электрические импульсы с последующим измерением обычными радиотехниче-ческими методами.
Калиброванные метки для измерения длительности импульсов установлены через 0 05; 0 2; 1 0; 5; 20 и 100 мсек. Имеется возможность подавать исследуемые напряжения непосредственно на вертикально и горизонтально отклоняющие электроды электронно-лучевой трубки.
Наиболее простым методом измерения длительности импульсов является метод, основанный на использовании осциллографа. Измеряемые импульсы подаются на вход усилителя вертикального отклонения луча или непосредственно на вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. В этом случае на экране осциллографа получается картина, показанная на фиг. По числу меток времени, зная интервал между ними, определяется длительность импульса.
Определение длительности импульса по ширине развертки.| К определению длительности импульсов по периоду их следования.| К определению длительности импульсов по числу калиб-рационных меток.
В настоящее время для измерения длительности импульсов наибольшее практическое применение получили методы, связанные с применением осциллографа. Зная (или измеряя) частоту развертки, по формуле T ff можно определить период развертки.
ПВ-52 и СБ-1М, Измерение длительности импульсов низкочастотных машин требует включения - дополнительного реле.
Описанный метод можно использовать для измерения длительности импульсов фототока, исключив из схемы устройство для преобразования импульсов. В этом случае нахождение точек, между которыми должна быть определена длительность импульса, выполняет наблюдатель.
Для прямого наблюдения структуры излучения и измерения длительности импульса применялся поглотитель (ванадий-фта-лоцианин, растворенный в нитробензоле) с относительно большим временем релаксации Р21 1 2 0 6 не.
Калибратор генератора может быть использован также для измерения длительности импульсов настраиваемой схемы в пределах от 0 5 до 20 мксек. Исследуемый импульс подается на вход индикатора, а переключатель индикатор ставится в положение внешний импульс. В остальном измерение длительности внешнего импульса производится так же, как и внутреннего.
Из полученного результата видно, что в рассмотренном случае погрешность измерения длительности импульса определяется погрешностью коэффициента развертки.
Такое коммутирование формирующих схем объясняется теми же причинами, что и при измерении длительности импульсов обеих полярностей. Независимо от вида измерений управляющий импульс отрицательной полярности через буферный каскад и линию задержки поступает на усилитель. Линия задержки обеспечивает задержку управляющего импульса на время, необходимое для сброса пересчетной схемы прибора в нулевое положение перед началом очередного цикла измерений.
Погрешность метода определяется следующими составляющими: погрешностью измерения среднего значения мощности; погрешностью измерения длительности импульса; погрешностью измерения частоты следования импульсов; погрешностью определения коэффициента формы импульса.
В упомянутом выше устройстве для контроля положения края проката фирмы Дженерал Электрик применена схема для измерения длительности импульса фототока на пропорциональном уровне (фиг.
Наличие во входных формирователях усилителя постоянного тока позволяет выполнить ва ж-ный для измерительной практики род работы прибора - измерение длительности импульсов. Импульсный сигнал длительностью в (от 1 мсек и более) подается на вход формирователя А. В процессе формирования на выходах / и / / образуются короткие импульсы, отвечающие началу и концу измеряемого импульса. Эти импульсы используются для открытия селектора 2 на время 6, в течение которого на счетные декады поступают метки времени.
ПИВИ-2) - прибор для измерения временных интервалов, служащий для получения импульсов любой формы и полярности амплитудой от 0 1 до 500 в, для измерения длительностей импульсов и их фронтов и проведения других измерений с помощью масштабных меток 0 5 и 0 01 мксек.
Прибор измерения временных интервалов И2 - 5 (ПИВИ-2) служит для получения импульсов любой формы и полярности амплитудой от 0 1 до 500 в, для измерения длительностей импульсов и их фронтов и проведения других измерений с помощью масштабных меток 0 5 и 0 01 мксек.
В заключение этого параграфа мы хотим обратить внимание на то, что косвенные, корреляционные методы исследования, базирующиеся на измерении высших корреляционных функций, могут быть использованы ие только для суждения о наличии самого эффекта синхронизации мод и измерения длительности импульса (см. § 3 гл.
Блок-схема стробоскопа, основанного на эффекте Холла.| Схема измерения скорости смещения импульсов.
Для измерения длительности импульсов используется сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса, работающий в режиме суммирования дискретных приращений потока.
Для измерения фемтосекундной длительности импульсов используют корреляц. Широко распространена схема нели-нейно-оптич. При этом интегрирующий сигнал фотоприемника измеряет автокорреляц.
Наиболее часто при этом измерения проводят на высоте, равной половине амплитуды (фиг. Уровень, на котором проводится измерение длительности импульса, не может быть установлен постоянным, так как при этом на результат измерения влияла бы амплитуда импульса.
Разница при контроле малых или больших размеров состоит в смене оптических систем: телеобъектив или микроскоп. Реализация этого способа сводится к измерению длительности импульсов или их подсчету, формируемых изображением краев объекта на экране видеоконтрольного устройства. Такие способы при автоматических измерениях реализуются в виде применения дифференциальных или раздваивающих систем.
Структурная схема реле времени. Действие цифровых фазометров основано на измерении длительности импульса Д, пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу.
Эти приемники, осуществляющие обратное преобразование импульсов, модулированных по длительности в постоянный ток, делятся на две группы - электромеханические и электрические. Первые, представляющие собой различные механические устройства для измерения длительности импульсов, применялись раньше в так называемых длиннопериодных устройствах. В электрических приемниках осуществляется измерение среднего тока импульса, как в рассмотренных конденсаторных частотомерах, либо отношения длительности импульса к периоду.
Остаточный сигнал, полу. Если с одного прохождения становится трудно зарегистрировать сигнал образца, то при измерении длительности импульса приходится проявлять больше изобретательности и терпения. В зависимости от того, насколько плоха чувствительность, можно использовать различные пути. Если сигналы, видимые в некоторых спектрах, исчезают в шуме при приближении к я-импульсу, то может быть достаточно определить последний видимый положительный сигнал и первый видимый отрицательный и взять среднюю между ними величину.
Недостатком рассмотренной схемы является наличие в ней цепей с конденсаторами, которые заряжаются до напряжения, равного половине амплитуды импульса. Постоянная времени цепей с этими конденсаторами сильно увеличивает инерционность всей схемы и вносит дополнительные погрешности в измерение длительности импульсов при изменении их амплитуды, что имеет место при изменении интенсивности освещения контролируемого тела.
При измерении данным методом используется некалиброванная линейная развертка. Временной интервал определяется по числу калибровочных импульсов или меток, помещающихся на экране осциллографа между изображениями опорного и интервального импульсов, аналогично измерению длительности импульса в синхроноскопе. В специальных измерителях временных интервалов предусматривают высокостабилыные по частоте генераторы калибровочных меток, позволяющие производить измерения с высокой точностью - Часто измерительные возможности подобных приборов не ограничиваются только точным определением временных интервалов - они значительно шире.
Вто время как найденные для рубинового лазера длительности импульсов хорошо согласуются с экспериментально измеренными, рассчитанные для лазера на стекле с неодимом значения от 2 до 10 раз меньше измеренных в максимуме цуга импульсов значений. Это расхождение определяется действием дополнительных нелинейных эффектов в стеклянных стержнях не-одимового лазера (неоднородное снятие усиления, зависимость показателя преломления от интенсивности и дисперсия), приводящих к фазовой модуляции импульса и как следствие к его удлинению, что не учитывалось в расчете. Измерения длительности импульсов в начале цуга (где автомодуляция фазы еще не играет заметной роли) дают значения, отличающиеся от расчетных лишь на 2 - 3 пс.
В дальнейшем, если это особо не оговорено, длительность импульса ta будет измеряться по основанию. Единицей измерения длительности импульса является секунда.
Блок-схема. измерения сдвига фаз в усилителе. При таких измерениях необходима линейная развертка с известной скоростью. Однако этот метод пригоден для малых скважностей (не более 10), когда на экране укладываются по крайней мере два импульса. При больших скваж-ностях измерение длительности импульсов возможно только при наличии ждущей развертки и использовании яркост-ных отметок времени. В этом случае запуск развертки производится исследуемым импульсом. Одновременно на управляющую сетку трубки подают калибрационные импульсы для получения меток.

Представляет интерес использования в ЭСЧ с МП измерителя амплитуд импульсных сигналов, с помощью которого обеспечивается автоматическая установка уровня запуска при измерении длительности импульсов. МП запоминает максимальное и мини - - мальное значения измеренного напряжения импульсного сигнала, вычисляет среднее арифметическое этих значений и автоматически устанавливает соответствующий уровень запуска. Данный метод позволяет существенно снизить погрешность измерения длительности импульсов для случая, когда их форма значительно отличается от прямоугольной.
Остановившись на определенном виде синхронизации, вытекающем из условий исследования, нужно обратить внимание на требуемые значения синхронизирующих напряжений при данном виде синхронизации и используемом виде развертки. Если применяется ждущая развертка, то следует учесть требования к длительности и амплитуде импульса, запускающего генератор ждущей развертки. Не должна оставаться вне поля зрения и полярность синхронизирующего сигнала: от правильного выбора ее зависят возможность наблюдения интересующего экспериментатора участка исследуемого сигнала и точность измерения длительности импульса.

Тема: Преобразование импульсных сигналов

Переходные процессы в линейных цепях.

Дифференцирующая цепь. Интегрирующая цепь.

Литература:

Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа,1985.С.8-22, 129-144

Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высшая школа, 1989. - С.46-49.

1. Импульсные сигналы и их параметры.

Импульсная техника - область радиоэлектроники, изучающая вопросы генерирования, формирования, преобразования и измерения импульсных сигналов.

Импульсный сигнал (электрический импульс) - кратковременное изменение напряжения или тока в электрической цепи, соизмеримое с переходным периодом в этой цепи.

Назначение импульсных сигналов :

Импульсные сигналы используются для представления сигналов в дискретной форме. Основные области применения - радиолокация, телевидение, электронно-вычислительная техника, гидроакустические станции и т.д.). Главное достоинство позволяющее использовать импульсный сигнал то, что он обладает большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговым сигналом.

Классификация импульсных сигналов :

радиоимпульсы;

видеоимпульсы.

По полярности ВИ делятся на:

положительные;

отрицательные.

Причем, в ряде случаев такое деление относительно.