а) 
, б) 
,
Импульсной техникой называется область электро- и радиотехники, которая охватывает круг вопросов, связанных с формированием, преобразованием и измерением электрических импульсов. Под импульсным сигналом понимается кратковременное отклонение тока или напряжения от некоторого начального значения. При этом подразумевается, что сигнал существует в течение времени, малом по сравнению со временем наблюдения, либо характерной постоянной времени исследуемой цепи. В отличие от сигналов синусоидальной формы (гармонических сигналов), которые полностью описываются амплитудой, частотой и фазой, импульсные сигналы имеют более сложную форму и описываются более широким набором характеристик. Существует несколько форм представления импульсных сигналов:
1.Аналитическая форма, в которой зависимость напряжения от времени записывается аналитическим выражением. В силу «кратковременности» импульсного сигнала его аналитическое выражение может быть представлено разрывной функцией:
U(t)=0 при -∞ < t < 0; τ < t < ∞
U(t)=U0·f(t) при 0 < t < τ
2.Графическая форма или осциллограмма – график зависимости напряжения от времени, выполненный в декартовой системе координат, где по оси x откладывается время, а по оси y – мгновенное значение напряжения.
На рисунке 1.1.1приведено несколько примеров осциллограмм импульсных сигналов:
видеоимпульсы радиоимпульс
Рис.1.1.1
Видеоимпульс представляет собой однополярное отклонение напряжения от некоторого начального уровня. Видеоимпульсы бывают различной формы, наиболее распространенные из которых приведены на рисунке. Радиоимпульс представляет собой синусоидальное колебание, огибающая которого имеет форму видеоимпульса.
По форме графического изображения (осциллограммы) импульсы получают название – прямоугольный, треугольный и т.д. Самым простым с точки зрения формирования является прямоугольный импульс, который
Рис.1.1.2
элементов схемы, а также наличие
паразитных (неучтенных в силу малости величины) элементов, приводящих к искажению формы сигнала.
Рассмотрим основные параметры импульсного сигнала на примере осциллограммы прямоугольного импульса, представленной на рисунке 1.1.3.
Рис.1.1.3
Как видно на рисунке, при «близком» рассмотрении прямоугольный импульс вовсе не является прямоугольным в математическом смысле. Ниже перечислены основные временные и амплитудные характеристики импульса:
Тимп. – длительность импульса, измеряемого по уровню 50% от нарастания и спада импульса.
Тзад. – время задержки импульса. Отсчитывается от начала управляющего воздействия (напр. синхроимпульса) до момента начала Тфр.
Тфр., Тсп.– время нарастания и спада импульса. Измеряется по уровням 10% и 90%.
Туст. – время установления сигнала при возникновении колебаний, связанных с переходными процессами в цепях. Обычно считают установившимся сигнал, пульсации которого не превышают 5%.
Uвыбр. – Напряжение выброса, т.е. максимальное превышение сигнала от установившегося уровня.
Uск. – Напряжение скола. Характеризует неравномерность полочки прямоугольного импульса, возникающую, например, из-за наличия в цепи дифференцирующего звена.
Е имп. - энергия импульсного сигнала. Величина энергии не отражается на осциллограмме и может быть определена длительностью воздействия импульса заданной амплитуды на заданную нагрузку.
.Цифровая электроника и вычислительная техника.
В цифровой технике напряжение, как правило, имеет два уровня, соответствующие логическим «0» и «1», поэтому прямоугольный видеоимпульс идеально подходит для передачи цифровой информации.
Обычно видеосигнал представляет собой меняющееся во времени однополярное напряжение. Мгновенное значение напряжения несет
«видеоинформацию». Чаще всего такой сигнал используется в видеоаппаратуре для отображения сигнала на электронно-лучевой трубке.
Синхронизация требуется, например, для управления научно- исследовательскими комплексами или промышленными агрегатами, которые состоят из большого числа отдельных узлов, но их работа должна быть синхронизована во времени. Синхросигналы обычно представляют собой импульс с очень коротким передним фронтом, по которому происходит запуск того или иного устройства, и более плавным задним фронтом.
За последнее десятилетие элементная база электронных компонентов сделала огромный скачок в сторону повышения быстродействия и уменьшения габаритов, что позволило существенно продвинуть схемотехнику в области импульсных источников питания. Как известно, импульсные источники, в отличие от источников с сетевыми трансформаторами имеют более высокий КПД, меньший вес и габариты. Основа таких источников – электронные ключи, позволяющие преобразовывать энергию на частотах десятки и сотни килогерц. Импульсные источники питания проникли во все сферы современного быта – от зарядных устройств телефонов до сварочных аппаратов.
В мощной импульсной технике модуляторами называют генераторы одиночных импульсов большой мощности, которые используются, например, для питания элементов ускорительных комплексов. Модуляторы делаются на основе накопителя энергии, которая передается в нагрузку на короткое время. С помощью модуляторов можно получать импульсы мегаваттной мощности при средней потребляемой мощности не более киловатта.
Каждый из рассмотренных выше параметров импульсного сигнала может иметь разную степень «важности» для той или иной области применения. В области цифровой техники, где оговорены уровни «0» и
«1», амплитуда сигнала не несет информации, не важны также сколы и выбросы, если они не превышают критических значений, приводящих к ложным срабатываниям или выходу из строя элементов схемы. В то же время, временные параметры могут быть критичными, особенно в быстродействующих схемах.
Передача видеоинформации предъявляет более жесткие требования к сохранению формы импульса в первоначальном виде, поскольку и амплитудные, и временные параметры участвуют в формировании видеоизображения.
В импульсных источниках питания импульсные сигналы разделяются на управляющие и силовые. К управляющим сигналам предъявляются жесткие требования по фронтам и задержкам, амплитуда импульсов не является «информативной». Силовые импульсы служат для передачи энергии, поэтому амплитуда важна лишь с энергетической точки зрения, и если выбросы и сколы не превышают допустимых значений, то их величина несущественна. Время фронта и спада силового импульса важно с точки зрения потерь на переключениях силовых ключей.
В модуляторах помимо передачи энергии, как правило, требуется обеспечить высокую стабильность импульса. Поэтому решающее значение имеет равномерность вершины импульса, а также повторяемость импульсов (иногда лучше 0.1%).
Одной из форм представления импульсного сигнала является спектральная форма, или разложение сигнала на спектр гармонических составляющих. Спектральное представление сигнала может быть выражено как аналитически, так и графически. Ширина спектра и уровень высших гармоник напрямую зависит от крутизны фронта и спада и от длительности импульса. Спектр сигнала вычисляется с помощью прямого преобразования Фурье:
S()
U (t)eitdt ,
а исходный сигнал может быть восстановлен из спектра обратным преобразованием Фурье:
U (t)
1
.
2
Одиночные импульсы имеют непрерывный (сплошной) спектр, а периодический импульсный сигнал имеет дискретный набор гармоник.
Примеры сигналов и их спектров:
Спектр единичного прямоугольного импульса длительностью Т описывается выражением:
Таким образом, одиночный бесконечно короткий импульс имеет сплошной спектр, показанный на рисунке 1.3.2, на верхнем графике.
Рис.1.3.1 δ-функция (вверху) и прямоугольный импульс конечной длительности (внизу)
Рис. 1.3.2 Спектр δ-функции (вверху) и прямоугольного импульса конечной длительности (внизу)
sinT
2 2
Рис. 1.3.3 Треугольный импульс (вверху) и прямоугольный импульс конечной длительности (внизу)
Рис. 1.3.4 Спектр треугольного импульса (вверху) и прямоугольного импульса конечной длительности (внизу)
Из-за более пологого нарастания и спада импульса затухание высших гармоник происходит быстрее – как 1/f2 (Рис.1.3.4, верхний график). На нижнем графике для сравнения дан спектр прямоугольного импульса.
Радиоимпульсом называется высокочастотное колебание, огибающая которого представляет собой видеоимпульс. Примером может служить передача цифровой (двоичной) информации через эфир.
Рис. 1.3.5 Радио импульс Рис. 1.3.6 Спектр радиоимпульса
На рисунке 1.3.5 приведен пример радиоимпульса – колебания с частотой 1МГц и огибающей – прямоугольным импульсом. По форме спектр такого радиоимпульса (Рис.1.3.6) напоминает спектр прямоугольного импульса (Рис.1.3.4). Отличие заключается в том, что основная гармоника имеет не нулевую частоту, а частоту «несущей», в данном случае 1Мгц. На нулевой частоте спектр спадает до нуля – это и понятно – в радиоимпульсе нет постоянной составляющей.
2
будет иметь спектр такого же вида -
e( / 0 )2
. Такую форму имеет сигнал, например, тока пучка в канале
ускорителя. Импульсы гауссовой формы удобно использовать в радиосвязи – они имеют наиболее узкий спектр частот.
Спектр любой периодической функции представляет собой дискретный набор гармоник. Меандр, или последовательность прямоугольных импульсов со скважностью Q=2 (Рис.1.3.7. вверху) содержит только нечетные гармоники (вверхний график на рис.1.3.8) с затуханием 1/n, где n – номер гармоники.
Рис. 1.3.8 Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов
На нижних графиках видно, что при скважности Q>2 амплитуда высших гармоник увеличивается, появляются четные гармоники, а также появляется постоянная составляющая.