Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция №11
ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Общая характеристика импульсных устройств.
Параметры импульсных сигналов
В предыдущих главах рассматривался непрерывный режим рабо ты электронных устройств, предполагающий длительное воздействие сигналов. Однако наряду с непрерывным в электронных устройствах часто используется импульсный режим работы, при кото ром кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.
Импульсный режим работы имеет ряд преимуществ перед непре рывным.
Импульсный режим позволяет значительно повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры. Пропускная способность — наибольшая возможная скорость передачи ин формации, а помехоустойчивость — способность аппаратуры разли чать сигналы с заданной достоверностью. Сигналы импульсных устройств дискретны и представляются комбинацией стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше, чем непрерывных сигналов. Выше и помехоустойчивость, так как искажение параметров импульсов (например, амплитуды) помехами не искажает информацию, заключенную в определенном сочетании импульсов.
Для реализации импульсных устройств, даже сложных (например, вычислительных машин), требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов, легко выполняемых методами инте гральной технологии. Это позволяет повысить надежность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.
Импульсные устройства широко распространены в вычислитель ной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышлен ной электронике. Переход к дискретному представлению сигналов в виде сочетания импульсов в измерительной технике позволил резко повысить точность измерительных приборов. Импульсный режим ра боты лежит в основе современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Мощные импульсы передатчиков излучаются ан теннами радиолокаторов, а слабые, отраженные от различных объек тов импульсы принимаются и обрабатываются приемниками, причем импульсный режим позволяет выделять сигналы, амплитуда которых значительно меньше уровня помех.
В импульсных устройствах используют импульсы различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, колоколобразные, ступенчатые и пилообразные (рис. 10.1, а—е).
Рис. 10.1. Форма видеоимпульсов:
а - прямоугольный; б — трапецеидальный; в — экспоненциальный; г — колоколообразный; д — ступенчатый; е — пилообразный
Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний (рис 10 2)
Рис. 10.2. Форма радиоимпульсов:
а — прямоугольный; б — колоколообразный
В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы.
Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F = 1/Т (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Периодические импульсы
Отношение периода Т к длительности tи импульсов называют скважностью
Скважность обычно колеблется в пределах от 2—10 (автоматика вычислительная техника) до 10 000 (радиолокация).
Приведенные на рис. 10.1 импульсы идеализированы. Реальные импульсы искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и спада импульса, а также в спаде плоской вершины импульса (рис. 10.4)
Рис. 10.4. Параметры реальных импульсов
. Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами:
амплитудой импульса А;
длительностью импульса tи, обычно определяемой на уровне 0,1А;
длительностью фронта импульса tф — временем нарастания импульса от 0,1 А до 0,9 А;
длительностью среза (спада) импульса tс — временем спада импульса от 0,9 А до 0,1 А;
неравномерностью (завалом) вер шины импульса ΔА.
Для определения полосы пропускания устройств, предназначенных для передачи импульсных сигналов, важно знать спектральный состав этих сигналов. Периодическую последовательность импульсов характеризуют спектром в виде суммы бесконечно большого числа гармоник. Амплитудные спектры — зависимости амплитуд гармоник от частоты — различны для разных форм импульсов, их длительности и периода. На рис. 10.5 показан амплитудный спектр последовательности прямоугольных импульсов (см. рис. 10.3).
Рис. 10.5. Амплитудный спектр последовательности прямоугольных импульсов
Отдельные составляющие спектра отстоят одна от другой по оси частот на величину частоты повторения F = 1/Т. Поэтому спектр содержит постоянную составляющую А (0) и амплитуды гармоник с частотами, кратными F. Другие составляющие спектра отсутствуют. Такой спектр называют линейчатым (дискретным). В спектре рис. 10.5 отсутствуют также составляющие с частотами, кратными 1/tи.
При увеличении частоты повторения F частотные интервалы между отдельными составляющими спектра возрастают, при уменьшении частоты повторения (F → 0, Т → ∞Г), что соответствует одиночному им пульсу, спектр «уплотняется» и становится непрерывным, не меняя своей формы. Амплитудный спектр определяется формой импульсов.
На рис. 10.6 показаны для сравнения относительные амплитудные спектры прямоугольного 1 и колоколообразного 2 одиночных импульсов.
Рис. 10.6. Относительные амплитудные спектры одиночных прямоуголь ного (1) и колоколообразного (2) импульсов
Спектры характеризуют активной шириной, представ ляющей собой диапазон частот от f = 0 до fmax = Fa, в котором за ключено 95% энергии сигнала. Для прямоугольного импульса Fa = = 2/tи, для колоколообразного импульса Fa = = 0,25/tи. Чтобы им пульс почти не искажался при передаче через электрическую цепь (например, через усилитель), нужно обеспечить ширину полосы про пускания цепи не менее Fa. Таким образом, для неискаженной переда чи прямоугольного импульса требуется полоса 2/tи, а колоколообраз ного импульса — 0,25/tи, т. е. в 8 раз меньше. Например, для прямо угольного импульса длительностью tи = 1мкс необходима полоса про пускания
а для колоколообразного импульса той же длительности Δf = 250 кГц. Заметим, что ширина полосы пропускания, обеспечивающая неискаженную передачу, не зависит от частоты повторения импульсов при постоянной их длительности.
Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов
В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» — «Выключено». На рис. 10.7, а—в приведены упрощенная схема и временные диаграммы идеального ключа.
Рис. 10.7. Схема (а), временные диаграммы тока (б) и выходного напряжения (в) идеального ключа
При разомкнутом ключе i = 0, а uвых = Е, при замкнутом ключе i = E/R, uвых = 0. При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно ве лико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю. В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям «Включено» — «Выключено», зависят от типа и параметров применяемых активных элементов, и пе реход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в те чение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей цепи. Качество электронного ключа определяется следующими основными парамет рами:
падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии uз;
током через ключ в разомкнутом состоянии i p;
временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) tпер.
Чем меньше величины uз, i p и tпер, тем выше качество ключа, по скольку при этом уменьшается его мощность рассеяния (а следова тельно, нагрев) и повышается быстродействие.
Простейший тип электронных ключей — диодные ключи. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды. На рис. 10.8, а приведена схема последовательного диодного ключа, а на рис. 10.8, б — его передаточная характеристика.
Рис. 10.8. Схема (а) и передаточная характеристика (б) последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения
При положитель ном входном напряжении диод от крыт, и ток через него
где Rпр — прямое сопротивление диода.
Выходное напряжение
Обычно Rпр « R, тогда uвых ≈ uвх. При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод
где Rобр — обратное сопротивление диода. При этом выходное напряжение
Как правило, Rобр >> R и uвых ≈ R uвх/Rобр << uвх. При изменении полярности включения диода график функции uвых(uвх) повернется на угол π.
Схеме рис. 10.8, а соответствует нулевой уровень включения (уро вень входного напряжения, определяющий отпирание или запирание диода). Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Ео (рис. 10.9, а).
Рис. 10.9. Схема (а) и передаточные характеристики (б) последовательно» го диодного ключа с ненулевым уров нем включения
В этом случае при uвх > Ео диод открыт и uвых ≈ uвх, а при uвх < Ео — закрыт и uвых = Ео (рис. 10.9, б). Если изменить полярность источника Ео, то гра фик функции uвых(uвх) приобретет вид, показанный на рис. 10.9, б пунктирной линией.
На рис. 10.10, а приведена схема параллельного диодного ключа, а на рис. 10.10, б— его передаточная характеристика.
Рис. 10.10. Схема (а) и передаточная характеристика (б) параллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения
При положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут) и uвых ≈ 0, а при отрицательном — закрыт (ключ разомкнут) и uвых ≈ uвх. Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Ео, включенный последовательно с диодом (рис. 10.11, а). При изменении полярности включения диода и источника Ео получают характеристику, показанную на рис. 10.11, б пунктирной линией.
Рис. 10.11. Схема (а) и передаточные характеристики (б) параллельного диодного ключа с ненулевым уровнем включения
Комбинацией двух диодных ключей можно получить двойной диодный ключ (рис. 10.12, а), который передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых уровнями включения первого (Uвх1) и второго (Uвх2) ключей (рис. 10.12, б)
Рис. 10.12. Схема (а) и передаточная характеристика (б) двойного диодного ключа
Время переключения диодных ключей tпер, определяющее их быстродействие, зависит от паразитных емкостей диодов (емкости р-n-перехода) и емкости монтажа, а также от времени выключения диода tвыкл, которое определяется временем рекомбинации носителей заряда.
Для повышения быстродействия ключей применяют малоинерционные диоды. Так, в обычных диодах tвыкл > 0,5 мкс, а в диффузионных диодах tвыкл ≈ 0,05 мкс.
Диодные ключи не позволяют разделить управляющую и управляе мую цепь, что часто требуется на практике. В этих случаях используют транзисторные ключи. На рис. 10.13, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе.
Рис, 10.13. Схема (а) и характеристики режима работы (б) ключа на биполярном транзисторе
Входная (управляющая) цепь здесь отделена от выходной (управляемой) цепи. Ключ мало отличается от усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером. Однако тран зистор работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние~определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсеч ки. В режиме отсечки ток базы Iб = 0, коллекторный ток Iк1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение Uк = Uк1 ≈ Ек (рис. 10.13, б). Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы. Второе состояние определяется точкой А2 и называется режимом насыщения. Он реализуется при по ложительных потенциалах базы. При этом ток базы определяется в ос новном сопротивлением Rб и равен Iб = Uвх / Rб, поскольку сопро тивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный пере ход также открыт, и ток коллектора Iк2 = Ек/Rк, а коллекторное напряжение Uк2 ≈ 0. Из режима отсечки в режим насыщения транзис тор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соот ветствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором). В рассмотренном транзисторном ключе уровни выходного напряжения, соответствующие режимам отсечки и насыщения, ста бильны и почти не зависят от температуры.
Существуют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного на пряжения. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.
Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-п-переходов и процессами накопле ния и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повыше ния быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.
Электронные ключи часто используют в устройствах формирования и м п у л ь с о в. К простейшим и наиболее распространен ным устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронных ключей. Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изме няется, если входное напряжение превышает эти уровни. В качестве ограничителей используют рассмотренные электронные ключи.
Для ограничения сверху применяют последовательные или параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме отсечки или только в режиме насыщения.
Рис. 10.14. Диаграммы, поясняющие работу ограничителя сверху
На рис. 10.14 показано ограничение синусоидального напряжения сверху с помощью схемы параллельного диодного ключа (см. рис. 10.11, а). Уровень огра ничения равен уровню включения ключа. Аналогично получают ограничение снизу. Для двустороннего ограничения используют двой ные ключи.
На рис. 10.15 показано двустороннее ограничение синусои дального напряжения с помощью двойного диодного ключа (см. рис. 10.12, а).
Рис. 10.15. Диаграммы, поясняющие работу двустороннего ограничителя
Часто в качестве ограничителей используют устройства (рис. 10.16, a) с кремниевыми стабилитронами, аналогичные стабилиза торам напряжения.
Рис. 10.16. Схема (а) и характеристика режима работы (б)
ограничителя на полупроводниковом стабилитроне
Используя вольт-амперную характеристику ста билитрона (см. рис. 2.12), можно построить передаточную характерис тику ограничителя на стабилитроне (рис. 10.16, б). Этот ограничитель дает двустороннее ограничение. Уровень ограничения сверху Е01 ра вен напряжению стабилизации Uст, а уровень ограничения снизу Е02 [Е02= (0,7 — 0,8) Uпр] определяется прямой ветвью вольт-ам перной характеристики стабилитрона. Для изменения уровня ограни чения сверху требуется стабилитрон другого типа с иным значением Uст, а для повышения уровня ограничения снизу можно использовать последовательное включение стабилитронов (рис. 10.17, а).
Рис. 10.17. Схема (а) и характеристика ре жима работы (б) двустороннего
огра ничителя на кремние вых стабилитронах
В. этом случае уровни ограничения Е01 и Е02 (рис. 10.17, б) равны соответственно:
где индексы 1 и 2 относятся соответственно к первому и второму ста билитронам.
Преимущество ограничителей на стабилитронах заключается в том, что они не нуждаются в источниках напряжения смещения; недостат ками являются неудобство изменения уровня ограничения и значитель ная инерционность, определяемая большой барьерной емкостью р-п-перехода стабилитронов (80—150 пФ). Поэтому ограничители на стаби литронах обычно используют в низкочастотных устройствах.
С помощью ограничителя легко сформировать трапецеидальное напряжение из синусоидального (см. рис. 10.15). Если амплитуда входного напряжения значительно больше уровня ограничения (Uвхm >> Ес), то можно получить выходное напряжение, близкое по форме к прямоугольным импульсам.
Другое применение ограничителей — сглаживание вершин импульсов, искаженных помехой или определяемых условиями формирования (рис. 10.18).
Рис. 10.18. Сглаживание вершин импульсов с помощью ограничителя сверху
Обширная область применения ограничителей — устройства амплитудной селекции (выделения). Амплитудным селекто ром называют устройство, предназначенное для выделения импуль сов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня (уровня селекции), или импульсов, амплитуда которых находится в за данных пределах. Рис. 10.19, а поясняет применение последователь ного диодного ограничителя (рис. 10.9, а (стр. 6) для селекции импульсов, превышающих уровень Е0. При нулевом уровне ограничения (Е0 = 0) можно выделять импульсы но полярности (рис. 10.19 б).
Рис. 10.19. Выделение импульсов с помощью ограничителей:
а — по амплитуде; б — по полярности
Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие це пи — линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной входного на пряжения по времени:
где k — коэффициент пропорциональности.
Рис. 10.20. Схема (а) и диаграммы работы (б) дифференцирующей цепи
На рис. 10.20, а, б приведены схемы про стейшей дифференцирующей RС-цепи и диаграммы, поясняющие ее работу при воздей ствии прямоугольного импульса напряжения. В момент времени t1 напряжение на конденсаторе равно нулю, следовательно, в момент времени t+1 (сразу после положительно го перепада входного напряжения uвх) вы ходное напряжение uвых (t+1) = Uвхm. Затем конденсатор заряжается по экспоненте:
а выходное напряжение спадает по экспоненте:
Переходные процессы можно считать закончившимися при t = 3RC, поэтому при tи = (t2 — t1) >> 3RC на выходе появляется экс поненциальный положительный импульс. В момент времени t2 (отри цательный перепад напряжения uвх) процессы аналогичны и на выхо де появляется отрицательный импульс. Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени цепи τ = RC. Можно показать, что при этом повышается и точность диф ференцирования входного напряжения.
Интегрирующие цепи — четырехполюсники, у кото рых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения — применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Схема интегрирующей цепи отли чается от схемы рис. 10.20, а тем, что конденсатор С и резистор R меняются местами [19].