Формирование и генерирование электрических импульсов

2003 г.
Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – 1981 г.
Под ред. Яковлева

импульсов;
Генерирование импульсов;
Управление импульсами.

информацию. Сигналы могут быть звуковыми, световыми, электрическими.
Информация

ТВ- камеры, различного рода датчиков аналогичны по своему «рисунку» воздействиям

Такому режиму соответствует определённый запас энергии, сосредоточивающийся в реактивных элементах

Всякий режим, длительно существующий в электрической цепи
и характеризующийся неизменными значениями токов и напряже-ний, называется стационарным (установившимся) режимом.

Любые изменения нагрузки или напряжения источника питания (включение или выключение его) приводят в итоге к новому установившемуся режиму с другими значениями токов, напряжений и, следовательно, запасом энергии в реактивных элементах.

одного стационарного состояния к другому называется переходным (нестационарным) процессом, который

Всякое изменение запаса электрической или магнитной энергии не может происходить мгновенно, а сопровождается процессом установления нового энергетического режима в цепи.

При воздействии на вход электрической цепи импульсов с крутым фронтом без особых погрешностей можно полагать, что воздействие этого импульса на электрическую цепь происходит скачкообразно, подобно мгновенному включению или выключению напряжения (тока).

можно считать, что коммутация цепи (т.е. изменение параметров цепи или

Объясняется это тем, что каждому состоянию цепи соответствует определённый запас энергии электрических
и магнитных полей. Переход к новому режиму связан
с нарастанием или убыванием энергии этих полей.

может мгновенно изменяться.
Энергия может изменяться только плавно.
 
 
………(1.1)
………(1.2)

индуктив-ности появилось бы бесконечно большое напряжение:
 
(где

электрического поля ёмкости, так как в противном случае через ёмкость

что также лишено физического смысла.

ёмкости С :
Напряжение на выходе цепи:
………. (1.4)
…………(1.3)
 
 
Выражение (1.4)

………. (1.5)

времени цепи.
 
……… (1.6)

размерность времени:
 
 
 

…………….... (1.9)

позволяющие упростить анализ электрических цепей с сосредото-ченными параметрами. Эти допущения

1. Токи, протекающие через резисторы и ёмкости, могут
изменяться скачкообразно.

2. Напряжения на индуктивностях и резисторах
изменяться скачкообразно.

могут

что ток, протекающий через ёмкость, и напряжение на этой ёмкости

…………….... (1.10)

…………….... (1.11)

приложенное к индуктивности, и протекающий через неё ток связаны следующими

…………….... (1.12)

…………….... (1.13)

формы импульсов, действующих в линейной цепи. Если бы все процессы

понимают отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня (в

установившегося режима в электрической цепи за счёт действия внешних сигналов

Для цепей, в которых время существования переходного процесса несравненно меньше времени действия внешнего сигнала (напряжения или тока), режим работы считается установив-шимся, а сам внешний сигнал для такой цепи не является импульсным. Примером этого может служить срабатывание электромагнитного реле.

или тока становится соизмеримой с дли-тельностью процессов установления, переходный процесс

процесса значительно меньше длительности сигнала (τпп

соизмерима
с длительностью сигнала (τпп ≈ t).

называется напряже-
ние или ток, действующие в течение промежутка времени,
соизмеримого

При этом предполагается, что между двумя последовательно действующими в цепи импульсами должен быть достаточный промежуток времени, превышающий длительность процесса установления. В противном случае вместо импульсов будут возникать сигналы сложной формы.

б) трапецеидальные

участков с количественной стороны оценивают следующими параметрами:
 
 
 
– длительность импульса. Обычно

или

считая от основания.

В последнем случае длительность

– 4), иногда называемый задним фронтом;
хвост (4 – 5).

напряжения или тока обычно синусоидальной формы.

а) прямоугольный;

б) колоколообразный

а)

б)

через равные промежутки времени, называются периодической последователь-ностью.
Периодическая

1. Период повторения – промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Он выража-ется в секундах (с) или дольных единицах секунды (мс; мкс; нс). Величина, обратная периоду повторения, называется частотой повторения (следования) импульсов. Она определяет количество импульсов, в течение одной секунды и выражается в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т.д.

…………….... (1.16)

величина, которая может изме-няться в очень широких пределах, так как

последовательности импульсов прямо-угольной формы, у которой U(t) = Um ,

……… (1.19)

……… (1.20)

1.10 видно, что
откуда следует:
 
 
……… (1.21)
 
 
……… (1.22)
 
 
 

не зависят от величины и направления токов и приложенных напряжений,

Свойства линейных цепей:

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейной цепи
представляет собой прямую линию, т.е. величины токов и напряжений будут связаны между

собой линейными уравнениями

.

2. Для расчёта (анализа) и синтеза линейных цепей применим
принцип суперпозиций (наложения).

с постоянными коэффициентами. Пример ВАХ такого вида – закон Ома.

Она может изменить составляющие спектра только по

4. Всякая реальная линейная цепь искажает форму сигнала за счёт
переходных процессов и конечной ширины полосы пропускания.

напряжения
по-разному пропускаются такой цепью. В результате прохождения входного сигнала

В результате соотношения между амплитудами и фазами гармоник на входе цепи и на её выходе не одинаковы. Это свойство положено в основу формирования импульсов с помощью линейных цепей.

и полярно-сти приложенных напряжений или протекающих токов, называет-ся нелинейным, а

Свойства нелинейных цепей:

1. Ток, протекающий через нелинейный элемент, не пропорционален приложенному к нему напряжению, т.е. зависимость между напряжением и током (ВАХ) носит нелинейный характер. Примером такой ВАХ служат входные и выходные характеристики ЭВП и ППП.

К нелинейным элементам относятся электровакуумные приборы (ЭВП), полупроводниковые приборы (ППП), работающие на нелинейном участке ВАХ, диоды (вакуумные и полупроводниковые), а также трансформаторы с ферромагнетиками.

различного вида, коэффициенты которых зависят от самой функции напряжения (тока)

3. Для нелинейных цепей принцип суперпозиций неприменим. При воздействии внешнего сигнала на нелинейные цепи в них всегда возникают токи, содержащие в своём составе новые частотные составляющие, которых не было во входном сигнале. Это является причиной возникновения нелинейных искажений, в результате чего сигнал на выходе нелинейной цепи всегда отличается по форме от входного сигнала.

которой напряжение пропорционально первой производной от входного напряжения.
...... (1)

напряжение
...... (2)
..... (3)
Подставив (1) в (2), получим:
Если выбрать достаточно малую

то получим приближённое равенство:

...... (4)

,

...... (5)

сигнала, ещё имеющая существенное значение для формы выходного импульса.
Коэффициент пропорциональности
 
 
носит

единиц (СИ) единица измерения электрического сопротивления
 
а единица измерения электрической

Следовательно,

импульс,
у которого τф = τс = 0, а внутреннее

1. Исходное состояние схемы (t < t1).
В исходном состоянии Uвх = 0; Uс = 0; iс = 0; Uвых = 0.

2. Первый скачок напряжения (t = t1).

на конденсаторе будет нарастать по экспоненциаль-ному закону:
Напряжение на

...... (6)

...... (7)

делителя напряжения выполня-ется равенство
то
4. Окончание заряда конденсатора (t = t2).
Напряжение

достигает практически нулевого значения, т.е. в момент времени t = t2

этом
6. Второй скачок напряжения (t = t3).
В

При этом ток разряда в данный момент времени становится максимальным:

Разряд конденсатора (t3 < t < t4).
После второго

;

;

состояния схемы (t ≥ t4).

Окончание разряда конденсатора наступает практически
при t = (3…5)τ = (3…5) RC.

продифференцированного импульса
на уровне


Отсюда:
и
 
 
 
 

выходе дифференцирующей цепи можно объяснить с точки зрения спектрального анализа.
 
 

Для высокочастотных составляющих входного

импульса, формирующих его фронт и срез,

Поэтому фронт и срез входного импульса на выход передаются практически без ослабления. Эти соображения позволяют определить дифференцирующую цепь как
фильтр верхних частот.

схема реальной
дифференцирующей цепи

составляющей.
Последнее условие необходимо выполнять, потому что режим работы по

ничем не отличается от дифференцирующей цепи. Однако если в дифференцирующей

то в переходной цепи это соотношение должно быть

В переходной цепи это соотношение должно

которой пропорциональна интегралу по времени
от величины входного напряжения. Математически

связаны зависимостью:
Интегрирующая цепь представляет собой делитель напряжения, ток

Отсюда следует:

последнее выражение примет вид:
 
 
 
 
 

импульса при интегри-ровании можно объяснить с помощью спектрального анализа. Действительно,

Поэтому интегрирующую цепь можно рассматривать как фильтр нижних частот.

пачки синусои-дальных сигналов длительностью, равной длительности импульса на входе генератора.

Существуют две разновидности генераторов с КУВ:

генератор с КУВ в цепи коллектора;
генератор с КУВ в цепи эмиттера.

представляет собой затуха-ющее по экспоненциальному закону синусоидальное колебание
 
 
 
 
 
– коэффициент

эмиттера

цепи эмиттера

получении серии незатухающих колебаний

напряжение на выходе которого следует за входным напряжением
до определённого

Существуют три вида ограничения:
ограничение по максимуму (ограничение сверху);
ограничение по минимуму (ограничение снизу);
двустороннее ограничение (одновременное ограничение сверху
и снизу).

предельный уровень входного напряжения, выше которого выходное напряжение практически не

Основным назначением ограничителей является изменение формы подводимого к ним входного напряжения путём «срезания» части этого напряжения. Следовательно, при ограничении происходит изменение спектрального состава входного напряжения, что возможно лишь при применении нелинейных цепей.

верхним и отрицательным нижним порогом ограничения

пороге ограничения

симметричном ограничении синусоиды

двустороннего амплитудного ограничителя
подаётся синусоидальное напряжение
Поскольку ограничитель двусторонний симметричный,

Напряжение на выходе будет определяться как

и, следовательно,

,

:

Если учесть, что

т.е.

и, следовательно,

то можно функцию синуса заменить его аргументом.
В результате получим:

следует, что формируемое напряжение будет тем ближе к прямоугольной форме,

В зависимости от способа включения диода и нагрузки различают два вида ограничителей:
диодные ограничители с последовательным включением диода и нагрузки;
диодные ограничители с параллельным включением диода
и нагрузки.

ограничения

ограничения

Необходимым элементом схемы параллельных ограничителей
является ограничивающий резистор Rогр, который

Rобр >> Rн >> Rогр >> Rпр,

где Rпр и Rобр – сопротивления диода, смещённого в прямом
и обратном направлениях соответственно.

порогом

ограничения снизу

ненулевым порогом ограничения

выходе переходной
цепи при передаче серии однополярных импульсов

напряжения на выходе переходной цепи независимо от любых изменений параметров

источника смещения и диода, то получим схему фиксатора отрицательного уровня

скачкообразными,
называются релаксационными.

Релаксационным называют генератор,
вырабатывающий негармонические электрические
колебания (импульсы)

Баланс амплитуд



Баланс фаз

Это условие реализуется, если коэффициент усиления усилительного элемента будет больше единицы.

Это условие реализуется, если с выхода усилительного элемента на его вход будет подаваться сигнал с фазой, равной фазе входного сигнала, что возможно только при наличии положительной обратной связи.

(режим внешнего запуска);
Автоколебательном с внешней синхронизацией
Кроме того, релаксационные

К релаксационным генераторам относятся генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов. Прямоугольные импульсы вырабатывают мультивибраторы, спусковые схемы, триггеры и блокинг-генераторы.

глубокой положительной обратной
связью, у которого выход первого каскада связан

реализует требование баланса фаз в автогенераторе.

→ – ΔUб1 → –Δiб1 → –Δiк1 → +ΔUк1 →

2. t1 < t < t2

Заряд C1 происходит по цепи:

+ Ек → Rк1 → C1 → (Б – Э)VT2 → корпус (–Ек).

Разряд C2 происходит по цепи:

+C2 → (К – Э)VT2 → корпус (–Ек) → +Ек → Rб1 → –C2

Падение напряжения на Rб1 уменьшается по закону:

→ –ΔUк1 → – ΔUб2 → –Δiк2 → +ΔUк2 →

4. Восстановление исходного состояния схемы, t2 < t < t3:

– разряд конденсатора C1 происходит по цепи:

+C1 → (К – Э)VT1 → корпус → +Ек → Rб2 → – C1

– заряд конденсатора C2 происходит по цепи :

+Ек → Rк2 → C2 → (Б – Э)VT1 → корпус (–Ек)

схеме с нулевой базой (верхний график);
при схеме с положительной (отрицательной)

мультивибратора

иногда называют спусковыми.
По количеству устойчивых состояний равновесия

схемы с одним устойчивым состоянием равновесия. Эти схемы в своём составе обязательно имеют реактивный элемент (чаще всего это ёмкость). Такие схемы называют одновибраторами.

схемы с двумя устойчивыми состояниями равновесия. Такие схемы в своём составе могут иметь только активные элементы и называются триггерами.

VT2 открыт, т.к. на его базу подаётся положительное напряжение +

Транзистор VT2 закрыт.

Конденсатор C2 заряжен по цепи:
+ Ек → R4 → C2 → (Б-Э)VT2 → R5 → корпус (–Ек).

запирается и возникает лавинообразный процесс:
–Uвх → –ΔUб2 →

при котором замыкается цепь положительной обратной связи. В результате появления лавинообразного процесса VT2 запирается,
а VT1 полностью отпирается и насыщается.

Происходит резкое уменьшение напряжения на коллекторе VT1,
в результате чего диод VD запирается и отключает источник импульсов запуска от схемы генератора.

конденсатор C2 начинает разряжаться по цепи:
+C2 (левая обкладка) → (К

отпирания VT2 в цепи его коллектора появляется ток, что вновь

+Δiк2 → +ΔUэ → –ΔUб1 → –Δiк1 → +ΔUк1 → +ΔUб2 → +Δi'к2 >+Δiк2.

Происходит обратное опрокидывание схемы, в результате которого VT1 запирается, а VT2 полностью отпирается. Конденсатор C2 снова начинает заряжаться по цепи:

+Ек → R4 → C2 → (Б – Э)VT2 → R5 → –Ек (корпус).

транзистора
на длительность формируемого импульса

срывом

на эмиттерах схемы, при котором происходит отпирание транзистора VT1
U''э –

В исходном состоянии

открыт и насыщен за счёт

напряжения, снимаемого с делителя R1 – R2 .

Шмитта

VT1 подаётся отрицательный запускающий импульс, под действием которого VT1 выходит

Возникает лавинообразный процесс:

+ΔUк1 → +ΔUб2→ +Δiк2 → +Δiэ2 → +ΔURэ → – ΔUб1 → –Δiк1 →

→ +ΔU'к1 (> +ΔUк1).

процесса транзистор VT1 запирается, а VT2 полностью отпирается и насыщается.

Триггер Шмитта часто используют для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы и,
в частности, из синусоидального напряжения.

потенциал базы транзистора VT1 станет равным потенциалу эмиттера (Uб1 =

Пока VT1 остаётся запертым, на выходе формируется плоская вершина импульса.

Когда под действием Uвх потенциал базы VT1 сравняется с новым значением потенциала эмиттера (Uб1 = U'Э), начнётся новый лавинообразный процесс, в результате которого будет сформиро-ван срез импульса, после чего схема вернётся в своё исходное состояние.

Подбором величин резисторов R1 и R2 можно так подобрать режим работы VT1, что он будет находиться одинаковое время в запертом и открытом состояниях.

переключаться разнополярными напряжениями одинакового уровня.
При этом длительности формирования

Благодаря лавинообразным процессам триггер Шмитта, по сравнению с ограничителями амплитуды, обеспечивает лучшую форму прямоугольных импульсов, формируемых из синусоиды.

Триггер Шмитта можно использовать как пороговое устройство: если входной сигнал достигает определённого порога, то триггер переключается. Величину порога переключения можно менять, изменяя потенциал базы VT1 с помощью делителя напряжения
R1- R2.

цепями на входах

положительной обратной связи) обеспечивается соответству-ющим включением обмоток импульсного трансформатора.

Импульсный трансформатор – это трансформатор с ферро-магнитным сердечником, служащий для преобразования электри-ческих импульсов длительностью от нескольких наносекунд
до десятков микросекунд. Основным требованием, предъявляемым к импульсному трансформатору, является обеспечение минималь-ных искажений генерируемого импульса.

импульса, перезаряжается по цепи:
+ Ек (корпус) → ωб → C

Ток перезаряда создаёт на Rб падение напряжения, полярность которого приложена к базе транзистора плюсом. В результате потенциал базы относительно эмиттера оказывается более положительным и поэтому транзистор находится в запертом состоянии. По мере перезаряда конденсатора положительное напряжение на базе уменьшается.

→ +Δе1→ –Δе2 → –ΔUб → +Δiб → +Δi'к (>Δiк)
 
 

C током базы по цепи:
корпус → переход (Э-Б) → C

4-й этап. Второе опрокидывание схемы (обратный блокинг-процесс).

Вновь замыкается петля положительной обратной связи:

–Δiб → –Δiк → –Δе'1 → +Δе'2 → ΔUб → –Δi'б (> –Δiб)

импульсы, фронт которых изменяется по закону, близкому
к линейному.

формирование и генери-рование. В первом случае для получения ПН используются

(рабочего) хода (tпр);
4. Длительность обратного хода (tобр);
5. Средняя скорость нарастания

[В/с]

6. Коэффициент нелинейности (γ), который показывает, насколько закон изменения напряжения на рабочем участке отличается от идеально линейного;

7. Коэффициент использования напряжения источника питания (ε)

(%).

относительному временнóму отклонению реального
пилообразного напряжения от идеально

Для середины участка:
1. Если изменение крутизны в конце прямого

напряжения от идеально линейного).
 

заряда конденсатора происходит в промежутке времени
 

Разряд происходит также по экспоненте, но постоянная времени цепи разряда

изменения пилообразного напряжения
Для повышения линейности используют различные способы,

этом случае при t = tпр получаем
где
–

токостабилизирующего элемента.

2. Применение обратной связи.

конденсатора с помощью

с помощью