23 | 09 | 2018

Лекция Общие характеристики импульсных сигналов

Лекция Общие характеристики импульсных сигналов.

Сигнал — физический процесс, несущий информацию. По природе физического процесса делятся на электромагнитные, в частности электрические (телефония, радио, телевидение, мобильная связь, ЛВС, Интернет), световые (оптоволоконный кабель), звуковые (общение людей), пневматические и гидравлические (определенные отрасли автоматики)и др.

Сигнал имеет Информативный (несущий информацию) и Неинформативный (не несущий информацию) параметр. П-р: если информацию несет амплитуда гармонического сигнала, то частота и фаза этого сигнала будут неинформативными.

Импульсные сигналы — сигналы, информацию в которых несут параметры импульсов. Импульс — кратковременное отклонение физического процесса от установленного значения. Кратковременное отклонение имеет не абсолютное, а относительное значение, т. е. длительность отклонения меньше или сопоставима с длительностью процесса.

Импульсные сигналы имеют преимущества перед непрерывными сигналами: средняя мощность импульсного сигнала значительно меньше средней мощности непрерывного сигнала при сопоставимой информационной емкости. Кроме того, в паузах между импульсами одного сигнала можно передавать импульсы другого сигнала и тем самым увеличить информационную вместимость канала. Одним из специальных видов импульсных сигналов есть сигналы цифровой и компьютерной техники.

Существуют два вида импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы — это кратковременное отклонение физического параметра, несущего информацию, от установленного значения. Радиоимпульс — это отрезок высокочастотного колебания определенной формы. Радиоимпульсы широко используют для передачи информации каналами радиосвязи, в телевидении и радиолокации. На практике используют Последовательности импульсов, повторяющиеся через определенный интервал времени.

Импульсные сигналы бывают Периодичными и Непериодичными. Периодичными считаются сигналы, значения которых повторяются через определенный промежуток времени.

По форме импульсы делятся на: прямоугольные, треугольные, пилоподобные и др. Формы реальных импульсов отличаются от идеальных, вследствие искажений и помех, действующих в каналах импульсных устройств.

Параметры импульсов:

Фронт — начальная часть импульса, характеризующая нарастание информативного параметра.

Спад — информативный параметр падает до установленного значения.

Вершина — часть импульса, находящегося между передним и задним фронтами.

Амплитуда — наибольшее отклонение информативного параметра сигнала от установленного значения.

Длительность импульса Т1— отрезок времени, измеренный на уровне, соответствующему половине амплитуды.

Период повторения импульсов Т в импульсной последовательности — интервал времени между двумя соседними импульсами в импульсной последовательности.

Длительность фронта импульса — это время τF нарастания импульса от 0,1 до 0,9 амплитудного значения, или время спада τB от 0,9 до 0,1 амплитудного значения.

Среднее квадратичное значение импульса — значение постоянного напряжения, который за одинаковые промежутки времени при одинаковых значениях сопротивления выделяет такую же самую мощность.

Неравномерность вершины δ — разница значений в начале и в конце импульса.

Выброс на вершине b1— кратковременное отклонение сигнала на вершине импульса в начальной его части.

Выброс в паузе B2— кратковременное отклонение сигнала после завершения действия импульса.

 

1.2. Виды импульсных сигналов и способы их отображения.

Импульсные сигналы могут отображаться в Аналитической (в виде уравнения) и Графической формах.

П-р:

Виды сигналов по характеру изменения сигнала во времени и по информативному параметру:

1) непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и по времени сигналы

2) непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и дискретные по времени сигналы — удобно обрабатывать современными измерительными приборами, поэтому аналоговые сигналы исследуемых объектов чаще всего превращают в дискретные сигналы. (Дискретизация) Интервал времени между соседними значениями дискретного сигнала называется Интервалом или Периодом дискретизации; величина, обратная к периоду дискретизации — Частота дискретизации; Дискретизация бывает Равномерная и Неравномерная.

3) непрерывные (аналоговые) по времени сигналы и квантованные (дискретные) по информативному параметру определены в любой момент времени. Превращение непрерывных сигналов в квантованные — квантование сигнала. Интервал между двумя соседними разрешенными уровнями — Квант. Квантование бывает Равномерное и Неравномерное.

4) сигналы дискретные по времени и квантованные по уровню могут иметь только определенные разрешенные уровни. Именно такие сигналы используются в современных информативных технологиях и обрабатываются современными компьютерными и микропроцессорными средствами.

Логические сигналы. Логические (булевы) величины, т. е. величины, которые могут принимать одно из двух возможных значений 0 или 1. На практике используют два вида логических сигналов: Импульсные и Потенциальные. Если на начальных этапах развития цифровой техники широко использовались импульсные логические сигналы, то сейчас они почти полностью вытеснены потенциальными логическими сигналами.

Импульсный логический сигнал принимает значение логической 1, если в течении определенного, заранее определенного интервала времени существует импульс определенной амплитуды, и значение логического 0, если в течении этого интервала времени такой импульс отсутствует. Система потенциальных логических сигналов считается Положительной, если логической 1 соответствует высший, а логическому 0 низший с двух возможных уровней, и отрицательной (инверсной), если логической 1 соответствует низший, а логическому 0 — высший с двух возможный уровней.

Входные и выходные сигналы реальных цифровых устройств имеют не два уровня или значения, а бесконечно большое количество значений в заданном диапазоне. Для того, чтобы такие сигналы несли логическую информацию, диапазон возможных значений этих сигналов делят на такие поддиапазоны (зоны): поддиапазон (зона) логического 0; поддиапазон (зона) логической 1; запрещенная зона, разделяющая две первые зоны.

То, что одному значению логической величины ставится в соответствие бесконечно большое количество значений с определенного диапазона, является избыточностью в кодировании информации. Чем больше степень избыточности в кодировании информации, тем выше степень помехоустойчивости этой информации, т. е. логические сигналы являются наиболее помехоустойчивыми сигналами.

Типичные элементарные сигналы и их характеристики.

Единичный импульсный сигнал δ(T);

Единичный ступенчатый сигнал U(T);

Гармонический сигнал X(T);

Экспоненциальный сигнал.

 

Единичный импульсный сигнал имеет площадь равную единице, т. е. произведение длительности импульса Тi на амплитуду импульса =1. Единичный ступенчатый сигнал описывается таким аналитическим выражением:

Гармонический сигнал используется для исследования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик импульсных устройств.

Экспоненциальный сигнал описывается таким аналитическим выражением:

1.2.Генераторы импульсных сигналов.

Устройства, предназначенные для генерации импульсов.

По форме импульсов генераторы делятся на Генераторы прямоугольных импульсов и генераторы импульсов Не прямоугольной формы, в частности генераторы пилообразных импульсов.

Чтобы получить импульсы прямоугольной формы с крутыми фронтами, широко применяются так называемые Релаксационные генераторы, принцип которых основан на использовании усилителей с положительной обратной связью. Эти генераторы могут работать в одном из таких режимов: ожидания, автоколебания, синхронизации и деления частоты.

В режиме ожидания генератор имеет одно стойкое состояние. Внешний импульс запуска вызывает прыжкоподобный переход генератора в новое нестойкое состояние. В этом состоянии, которое называется квазистойким, или временно стойким, в генераторе происходят довольно медленные изменения, которые в конце концов приводят к обратному прыжку к начальному стойкому состоянию. Длительность пребывания генератора во временно стойком состоянии, т. е. длительность импульса, определяется параметрами элементов генератора. Основные требования: стабильность длительности генерированного импульса и стойкость его начального состояния.

В автоколебательном режиме генератор не имеет стойкого состояния, а имеет два временно стойких состояния. Переход с одного временно стойкого состояния в другое и назад осуществляется прыжком без влияния какого-либо внешнего фактора. Во время этого процесса генерируются импульсы, амплитуда, длительность и период которых полностью определяются параметрами элементов генератора. Основным требованием к таким генераторам является высокая стабильность частоты импульсов.

Режим синхронизации и деления частоты применяется для генерации импульсов, частота которых равна или кратна частоте импульсов синхронизации, которые попадают на генератор из-вне.

Мультивибраторы.

Мультивибратор — одни из наиболее распространенных генераторов прямоугольных импульсов. Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью.

Мультивибратор — это устройство, которое поочередно пребывает в двух временно стойких (квазистойких) состояниях. Как активные элементы в мультивибраторе используются биполярные и полевые транзисторы, логические интегральные микросхемы, операционные усилители.

Транзисторы мультивибратора пребывают поочередно в одном из двух режимов: в режиме отсечки и режиме насыщения.

См. схему. Элементы подобраны так, чтобы обеспечить идентичность каждого из усилительных каскадов, собранных из усилительных каскадов. При R1=R4, R2=R3, C1=C2 и одинаковых параметрах транзисторов мультивибратор называют Симметричным.

Казалось бы при полной симметрии схемы после ее включения токи транзисторов и напряжения на конденсаторов и на электродах транзисторов должны быть одинаковыми, а состояние схемы устойчивым. Однако этого никогда не происходит, т. к. идеальной симметрии схемы добиться практически невозможно. Любая, даже самая незначительная асимметрия мгновенно приведет к тому, что один из транзисторов закроется, а другой будет открыт и доведен до режима насыщения.

Пусть ток коллектора транзистора Т2 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора Т1. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R4 и к снижению отрицательного потенциала на коллекторе транзистора Т2. Через конденсатор С2 изменение потенциала коллектора транзистора Т2 передается на базу транзистора Т1.Это приведет к уменьшения тока коллектора Т1 и к увеличению отрицательного потенциала на коллектора этого транзистора. Через конденсатор С1 изменение потенциала коллектора транзистора Т1 передается на базу транзистора Т2, что вызывает дополнительное увеличение тока коллектора этого транзистора. Далее процесс повторяется и в конечном итоге транзистор Т2 полностью откроется и войдет в режим насыщения, а транзистор Т1 закроется. Этот процесс протекает лавинообразно и поэтому очень быстро, практически мгновенно.

В режиме запирания транзистора Т1 конденсатор С1 заряжается по цепи: +Ек, участок эмиттер-база открытого конденсатора Т2, С1, R!, - Ек. В то же время конденсатор С2 (в режиме насыщения транзистора Т2) разряжается через открытый транзистор Т2 и резистор R3). Переключение схемы из одного состояния в другое зависит от скорости заряда и разряда конденсатора.

Схема транзисторного мультивибратора.

 

2. Электронные ключи и логические элементы.

2.1. Общие сведения о ключевых элементах.

Ключевым элементом, или просто ключом называется устройство для открывания или закрывания канала, по которому передается энергия. По физической природе ключи делятся на электрические (электронные), пневматические, гидравлические, оптические и др.

Ключи могут пребывать в одному из двух состояний: замкнутом или разомкнутом. В замкнутом состоянии ключ имеет незначительное сопротивление, в идеальном случае нулевое. В разомкнутом состоянии, наоборот, сопротивление ключа большое, в идеальном случае бесконечно большое.

Переход ключа из одного состояния в другое осуществляется скачком, за незначительный промежуток времени, под действием сигнала управления ключом. Идеальным ключом называется ключ, который в замкнутом состоянии имеет нулевое сопротивление, и бесконечно большое сопротивление в разомкнутом состоянии.

Нормально замкнутые — ключ пребывает в замкнутом состоянии при условии отсутствии сигнала управления.

Нормально разомкнутые — ключ пребывает в разомкнутом состоянии при условии отсутствии сигнала управления.

Переключатели — под действием управляющего сигнала переходит с нормально замкнутого состояния в разомкнутый.

По способу включения ключи делятся на Последовательные и Параллельные.

По роду переключаемой величины ключи делятся на ключи Напряжения и ключи Тока.

Коммутаторы — устройства, предназначенные для соединения или коммутации одного входного канала передачи сигналов на вход одного из выходных каналов передачи сигналов или наоборот, одного из входных каналов передачи сигналов на вход выходного.

Реальные ключи характеризуются такими параметрами:

1.Сопротивление в замкнутом и разомкнутом состоянии.

2.Длительность перехода ключа из замкнутого состояния в разомкнутый и, наоборот, переход ключа из разомкнутого состояния в замкнутый.

3.Максимально допустимый ток замкнутого ключа.

4. Максимально допустимое напряжение замкнутого ключа

Аналоговые ключи.

Аналоговые ключи имеют два состояния: замкнутый и разомкнутый, и предназначены для передачи входного сигнала на выход с высокой точностью и без искажений в замкнутом состоянии.