Рис. 1. Импульсный сигнал из трёх прямоугольных импульсов.
Рис. 2. Электрические колебания сложной формы: а — пиковые; б — пилообразные.
Я.С. Ицхоки, Ю.А. Браммер, Пащук
Электрические импульсы тока и напряжения широко используются для тех или иных целей в различных областях науки и техники высоких напряжений). Наиболее широко электрические импульсы применяются в электронике при импульсном режиме работы электронных устройств различного назначения. Здесь находят применение как одиночные импульсы (радиоимпульсы и видеоимпульсы), так и главным образом последовательности импульсов (серии импульсов), образующих импульсные сигналы, несущие информацию или выполняющие функции управления работой электронных устройств.
При импульсном режиме электронные устройства подвергаются воздействию электрических сигналов не непрерывно (в течение всего времени работы устройства), а прерывисто. При этом прерывистая структура импульсных сигналов составляет принципиальную основу полезных функций устройства, работающего в импульсном режиме. Импульсные сигналы различаются по амплитуде и длительности импульсов, частоте их следования, а также по относит. взаимному расположению в серии. На рис. 1 изображен импульсный сигнал в виде серии из 3 импульсов, сгруппированных согласно некоторому условному коду, определяемому, в частности, расстановкой импульсов в серии. Импульсные сигналы могут иметь более сложную структуру, зависящую от вида модуляции и формы импульса. Некоторые электрические колебания сложной формы (рис. 2), в отличие от синусоидальных, имеют разрывной характер; им свойственны весьма широкий частотный спектр и наличие характерных точек, точнее участков весьма малой временной протяжённости, в которых скорость изменения колебательного процесса претерпевает резкие скачки (разрывы). Эти свойства сближают колебания сложной формы с типичными импульсными процессами. В импульсной технике часто применяют импульсные сигналы с частотным заполнением от десятков гц до десятков Ггц.
|
Рис. 1. Импульсный сигнал из трёх прямоугольных импульсов. |
Рис. 2. Электрические колебания сложной формы: а — пиковые; б — пилообразные. |
При импульсном режиме работы может быть достигнута высокая степень концентрации энергии во времени; так, например, в мощных импульсных модуляторах в течение длительного промежутка времени между импульсами происходит относительно медленное запасание энергии в накопительных элементах, затем в течение отрезка времени, протяжённость которого значительно меньше периода накопления, запасённая энергия выделяется в нагрузочном элементе. В результате удаётся получать электрические импульсы, мощность которых значительно превосходит номинальную мощность источников питания, что имеет существенное значение при конструировании радиоэлектронной аппаратуры; например, мощность в радиоимпульсе, излучаемом радиолокационной станцией, достигает десятков Мвт и более. Благодаря резким перепадам амплитуды электрических импульсов возможна весьма точная фиксация времени воздействия импульсных сигналов, а также чёткое разделение двух возможных состояний электронной схемы: «есть ток» — «нет тока» («да» — «нет»). Импульсные электронные устройства, выполняющие функции бесконтактных электронных ключей, способны за 10-6 и даже 10-9 сек переключать электрические цепи.
С понятием «импульс» обычно связывается представление о малой его длительности. Однако кратковременность импульса — понятие относительное: в зависимости от области использования длительность импульса может изменяться в значительных пределах. В автоматике, например, оперируют с импульсами длительностью порядка 0,01 — 1 сек, в импульсной радиосвязи — 10-6 сек, в физике быстрых частиц — 10-9 сек. Однако даже в одной и той же области техники часто применяют импульсы с различной длительностью и частотой следования. Так, например, в радиолокации работают с электрическими импульсами длительностью от 10-3 до 10-9 сек с частотой повторения от единиц гц до 104 гц. В импульсной технике проявляется тенденция к укорочению импульсов и увеличению частоты их следования, стремлением повысить эффективность электронных устройств, разрешающую способность (например, радиолокаторов) или быстродействие (в ЭВМ). Иногда более важно отношение длительности паузы между импульсами к длительности импульса (скважность), которое в цифровой автоматике обычно не превышает 10, в радиосвязи — порядка 10 — 100, в радиолокации колеблется от 100 до 10000. При воздействии импульсов электрического тока или напряжения на цепь, обладающую свойством запасать энергию, возникают переходные процессы, значение которых в импульсной технике весьма велико. Явления, связанные с переходными процессами, часто используют в работе импульсных устройств, но в ряде случаев они оказывают вредное влияние и приводят к схемному и конструктивному усложнению устройств. Поэтому анализу переходных процессов в импульсной технике уделяется особенно большое внимание. Специфичность методов и средств формирования, преобразования, измерения и регистрации импульсных сигналов и анализа процессов в импульсных устройствах обусловлены главным образом их нестационарностью.
Для получения импульсов различной формы, функционального преобразования импульсных сигналов, селекции импульсов по тому или иному признаку, а также для выполнения логических операций над ними служат типовые импульсные логические схемы и устройства. К ним относятся линейные устройства формирования импульсов, преобразования их формы, амплитуды, полярности и временного положения (формирующие линии, дифференцирующие и интегрирующие цепи, импульсные трансформаторы и усилители, электромагнитные и ультразвуковые линии задержки); нелинейные устройства преобразования импульсов и переключения цепей (ограничители, фиксаторы уровня, пик-трансформаторы, магнитные генераторы импульсов, электронные ключи и др.); регенеративные спусковые схемы, и генераторы импульсов (пересчётные схемы, триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы); импульсные делители частоты повторения; электронные генераторы линейно-изменяющегося тока и напряжения (в т.ч. фантастроны, санатроны и др.); селекторы импульсов; логич. схемы и спец. устройства обработки импульсных сигналов (кодирующие и декодирующие устройства, дешифраторы, регистры, матрицы, элементы памяти ЭВМ и др.).
Импульсные методы работы широко используются в телевидении, где сигналы изображения и синхронизации — импульсные; с помощью радиоимпульсов удалось решить такую важную задачу, как измерение расстояний, что обусловило развитие импульсной радиолокации и радионавигации (в системах обнаружения, в радиовысотомерах, в навигации кораблей и самолётов). Импульсное кодирование сообщений, основанное на различных принципах импульсной модуляции, позволяет осуществлять радиосвязь с высокой помехозащищенностью, а также многоканальную радиосвязь (с разделением каналов по времени) в телеметрии. Перспективно использование импульсных режимов в радиоуправлении на большом расстоянии, например искусственными спутниками Земли, космическими кораблями, луноходами.
Импульсные методы имеют существенное значение в информационно-измерительной технике, используемой, в частности, в космической электронной аппаратуре и при исследованиях в области физики быстрых частиц. Методы и средства импульсной техники лежат в основе работы современных электронных ЦВМ, разнообразных цифровых автоматов, применяемых не только как средство автоматизации вычислительного процесса, но и для решения различных логических задач при автоматической обработке информации. Для этого производятся соответствующие преобразования над импульсными сигналами, несущими информацию (обычно в сопровождении помех), и с помощью логических схем и устройств селекции импульсов выполняются логические операции над импульсами. Таким образом выделяют, анализируют, распознают и регистрируют полезную информацию, содержащуюся в обрабатываемых импульсах. Исключительно широко применяются методы импульсной техники в радиоизмерительных устройствах (частотомерах, осциллографах, анализаторах спектра, измерителях временных интервалов и др.).
Первое практическое применение импульсных режимов работы электрических устройств связано с изобретением П. Л. Шиллингом электромагнитного телеграфа (1832), усовершенствованного академиком Б. С. Якоби и американским изобретателем С. Морзе. Изобретатель радио А. С. Попов для генерации радиоволн применил импульсный искровой передатчик (1895). В 1907 Л. И. Мандельштам выдвинул идею использования изменяющихся по известному закону электрических величин для создания точного масштаба времени, которая была реализована в устройстве временной развёртки осциллографа; так был открыт способ исследования кратковременных импульсных процессов. В том же 1907 Б. Л. Розинг впервые в мире использовал электроннолучевую трубку для приёма сигналов изображения. Этим было положено начало телевидению. В 1918 советский учёный М. А. Бонч-Бруевич разработал и исследовал «катодное реле», позволяющее скачком изменять силу тока электронных ламп и напряжение на их электродах. В 1919 в журнале «Annales de Physique» американские учёные Х. Абрагам и Е. Блох опубликовали статью с описанием др. подобного устройства — мультивибратора; тогда же американские учёные В. Иклс и Ф. Джордан разработали схему триггера; мультивибратор и триггер широко используются в современной импульсной технике. В конце 20-х гг. в связи с распространением коротковолновой радиосвязи возникла необходимость измерения высоты ионизированных слоев атмосферы. Первая в СССР установка для импульсного измерения расстояний была создана в 1932 под рук. М. А. Бонч-Бруевича. Принципы работы этой установки впоследствии нашли применение в импульсной радиолокации. Быстрое развитие импульсной техники стимулировалось совершенствованием радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации, телеуправления, телеметрии, вычислительной техники. Этому способствовало также решение ряда теоретич. проблем, в том числе теории нелинейных и разрывных колебаний, разработанной советскими радиофизиками А. А. Андроновым, А. А. Виттом и С. Э. Хайкиным. Исключительно важно для совр. состояния и дальнейшего развития импульсной техники совершенствование полупроводниковой электроники и интегральных схем.
|
|
 |
