Импульсные устройства. 
Электроника и схемотехника

Введение

в импульсную технику

К импульсным устройствам относятся функциональные узлы, предназначенные для создания (генерирования) импульсных сигналов требуемой формы и выполнения над ними различных операций и преобразований (интегрирования, дифференцирования, задержки во времени, изменения формы, селекции по амплитуде, длительности и др.), а также для измерения параметров электрических импульсов [52, 84].

Импульсными сигналами принято называть электрические колебания, существующие в пределах конечного отрезка времени. При этом различают видеоимпульсы u_K(t) и радиоимпульсы, для которых видеоимпульс u_K(t) является огибающей, а гармоническая функция Ucos (cot + (р) — высокочастотным заполнением. В дальнейшем основное внимание уделено импульсным устройствам формирования и преобразования видеоимпульсов.

Появление и начальные этапы развития информационных импульсных устройств связаны со становлением радиолокации, телеметрии и телевидения. Сфера применения импульсных устройств постоянно расширялась и продолжает расширяться. В настоящее время многие типы импульсных устройств составляют основу элементной базы узлов и блоков компьютерных систем, систем автоматического управления и обработки информации.

Основные виды импульсных сигналов и их параметры. Электрические импульсы представляют собой процессы, протекание которых сопровождается сравнительно медленными изменения напряжения или тока на одних временных интервалах и достаточно быстрыми изменениями — на других. Основным отличительным признаком электрических импульсов является их форма, которая отождествляется с геометрическими образами. По этому признаку можно выделить:

• импульсы прямоугольной формы (рис. 5.1, а), для которых характерна плоская вершина и самая высокая скорость нарастания и спада напряжения. Для описания прямоугольного импульса ис;

Рис. 5.1. Форма импульсных сигналов.

пользуются два параметра: амплитуда U и длительность т_и. Одно из достоинств прямоугольных импульсов — простота формирования;

• • импульсы трапецеидальной формы (рис. 5.1, б), которые можно рассматривать как несовершенство реализации или аппроксимацию прямоугольных импульсов. В трапецеидальных импульсах обычно выделяют:
• — фронт длительностью ?_ф в виде временного интервала, на котором происходит изменение напряжения от 0 до амплитудного значения;
• — срез длительностью ?_ср в виде временного интервала, на котором происходит изменение напряжения от амплитудного значения до 0;
• — вершину импульса — участок между фронтом и срезом.

Длительность импульса т_и определяется на уровне 0,5 f/;

• • импульсы пилообразной формы (рис. 5.1, в), которые используются для развертки луча в электронных трубках, преобразования типа время — амплитуда и других целей. Импульсы пилообразной формы характеризуются длительностями прямого (?) и обратного (?_()бр) хода. Для оценки нелинейности используется отношение скоростей в начале и конце прямого хода импульса;
• • импульсы колоколообразной формы (рис. 5.1, г), обладающие наименьшей шириной спектра. Они используются в технике связи и радиолокации.

Как упоминалось выше, импульсные сигналы, но каналам связи передаются в виде радиоимпульсов. На рис. 5.1, д приведена форма радиоимпульса при передаче импульсов прямоугольной формы.

Так как импульсные устройства всегда содержат накопители энергии (в виде паразитных индуктивности и емкости), невозможно получить мгновенные изменения токов и напряжений. Поэтому для каждой формы реальных импульсов дополнительно вводятся параметры, характеризующие отклонения формы реальных импульсов от идеальных. Например, для реальных прямоугольных импульсов (рис. 5.2):

• • длительность импульса определяется на уровне 0,5U> а длительности фронта ?, и среза t — при изменении напряжения в пределах (0,1 -^-0,9)[/;
• • используются такие параметры, как спад вершины AU, выбросы фронта и_вфр и среза U_Bcp.

Рис. 5.2. Параметры прямоугольного импульса

Для периодической последовательности импульсов с периодом следования Т вводят понятие скважности, под которой понимают отношение периода к длительности импульса: q = Т/т_и. Иногда вместо скважности пользуются понятием коэффициента заполне- ^{НИЯ К}лли = У Я-

Помимо параметров, характеризующих форму импульсов, при описании импульсных процессов и сигналов используют электрические показатели, например мощность импульса, среднюю мощность за период, постоянную составляющую напряжения (тока) и др.

Классификация импульсных устройств. Следует выделить два класса импульсных устройств:

• • линейные устройства, которые содержат линейные элементы и описываются линейными дифференциальными уравнениями. К этому классу относятся пассивные линейные цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов. Эти цепи заслуживают особого внимания (которое будет уделено им в дальнейшем) с точки зрения понимания процессов, протекающих в них при импульсных воздействиях;
• • нелинейные устройства, которые содержат хотя бы один нелинейный элемент (полупроводниковый диод, транзистор и др.). В нелинейном элементе между воздействием и откликом существует нелинейная зависимость. Нелинейный элемент искажает форму гармонического колебания. В спектре его отклика появляются новые гармоники. В импульсном режиме нелинейный элемент моделируется ключом.

Структуру импульсных устройств можно представить в виде двухполюсников (формирователи импульсных сигналов), четырехполюсников (передаточные звенья-преобразователи) и шестиполюсников (управляемые преобразователи). Рассмотрим наиболее распространенные импульсные узлы и выполняемые ими функции.

С точки зрения дальнейшего изложения заслуживает внимания функциональный признак классификации, согласно которому импульсные устройства можно разделить следующим образом:

• 1) устройства и цепи для передачи импульсов;
• 2) формирующие устройства и цепи;
• 3) генераторы импульсов;
• 4) схемы запуска, синхронизации и деления частоты.