Основні характеристики електричних сигналів імпульсного типу

Електричним імпульсом називають напругу або струм, що відрізняється від нуля і має постійне значення лише протягом короткого часу.

Розглянемо форми імпульсів, які найчастіше зустрічаються в електроніці рис.4.2.

У різних галузях техніки використовуються імпульси різної форми. У генераторах розгортки - це імпульси пилкоподібної форми, в тактових генераторах обчислювальних пристроїв – це імпульси прямокутної форми. Створюються імпульси напруги спеціальними генераторами – мультивібраторами, блокінг-генераторами, тригерами.

В С В С В,С

А D A D A D

Рис. 4.2. Форми імпульсних сигналів: а - прямокутні; б - трапецієподібні; в - трикутні; г - гостроконечні;

д - пилкоподібні; е - екпоненційні; АВ - фронт (передній фронт); ВС - вершина; CD - зріз (задній фронт); AD - основа.

Відеоімпульс – це стрибкоподібне відхилення постійного струму (напруги від початкового рівня (найчастіше нульового) протягом короткого інтервалу часу. Цей інтервал часу називається тривалістю імпульсу. Час від початку одного імпульсу до початку іншого імпульсу називається періодом повторення (слідування) імпульсів.

М аксимальне відхилення напруги від початкового значення називають амплітудою імпульсу.

На рис.4.3 зображено форму реального прямокутного імпульсу. Йо­го основні параметри: амплітуда U_m; тривалість імпульсу ґ;„; тривалість фронту імпульсу /ф; тривалість зрізу імпульсу /_зр- Під тривалістю ім­пульсу переважно розуміють інтервал часу між моментами виникнення та зникнення імпульсу. Іноді тривалість імпульсу визначають за три­валістю основи імпульсу на рівні 0,16^ або Q,5U_m. Тривалість імпуль­су на рівні 0,5 U_m називають активною ґ_іма. Фронтом імпульсу є його бічна сторона, і він може бути переднім або заднім (зріз імпульсу).

Практично, для аналізу електронних схем імпульси вважають пря­мокутними. Переважно імпульси є періодичними з періодом Т (рис. 4.4), якому відповідає частота повторюваності f = 1/T . Важливою величи­ною є шпаруватість ("скважність") імпульсів — Q= T/t_i,, яка вказує на тривалість ім­пульсу в межах періоду.

Коефіцієнт заповнення визначається за формулою К_З = t_u/T = 1/Q_.

Середнє значення напруги за період Т визначається за формулою .

Рис. 4.4. Імпульси прямокутної форми:

t_n - тривалість паузи; t_u – тривалість

імпульсу;

Т- період.

U_вх

t_n t_u

T t

4.1.2. Ключі як генератори імпульсів

Імпульсну електричну або електронну ланку називають нелінійною, якщо хоча б один з її складових елементів має нелінійну вольт-амперну характерис­тику. Елементи з такою характеристикою часто використовуються в електроніці і мають здатність працювати у ключовому режимі. У статичному режимі ключова схема перебуває у стані "ввімкнено" (ключ замкнутий, відкритий) або у стані "вимкнено" (ключ роз'єднаний, закритий). Перемикання схеми з одного стану в інший здійснюється під дією керувальних сигналів імпульсного виду або рівнів напруги.

Релаксаційними генераторами називаються електронні пристрої, які перетворюють за допомогою електронних ключів постійний струм джерела електричної енергії в електричні імпульси, тривалість і форма яких буде визначатися процесами релаксації, наприклад зарядом або розрядом конденсаторів в колах зворотнього зв’язку.

Сформувати імпульс напруги (струму) можна за допомогою електромеханічного ключа (рис.4.5).

U_вих = Е - І∙R.

Якщо ключ S розімкнений, то І = 0 і U_вих = Е, а якщо ключ замкнений, то І∙R ≈ Е і U_вих ≈ 0.

У ролі ключа використовуються напівпровідникові діоди, транзистори, тиристори. Транзистор в режимі ключа ми розглядали в п. 2.3.6.

Закриття і відкриття такого електронного ключа створює перепади напруги (позитивний, при зміні U_вих від 0 до Е і негативний, при зміні U_вих від Е до 0).

Ці перепади і створюють імпульс напруги.

Е

І

R

U_вих

S

Рис.4.5. Електромеханічний ключ

Розглянемо еквівалентну схему електронного ключа (рис.4.6,а).

У ролі електронного ключа К зазвичай використовуються активні елементи - напівпровідникові діоди, транзистори, тиристори. Якість роботи ключа визначають наступними основними параметрами: опором розімкненого ключа r_Р, опором замкненого ключа r_З, ємністю ключа С. Чим менше значення r_З, С і більше r_Р, ти кращі властивості ключа. Ємність ключа С збільшує час перемикання ключа і , отже, впливає на форму вихідного імпульсу U_вих (рис.4.1.6, б).

При розімкненому ключі ємність заряджена до свого максимального значення U_C = U_max = E. Якщо ключ замкнути, ємність починає розряджатися по експоненціальному закону з постійною часу τ_З=С r_З. з такою ж постійною часу по мірі зменшення потенціалу на обкладинках конденсатора збільшується струм через R_Н і одночасно збільшується вихідна напруга U_вих.

При розмиканні ключа К ємність починає знову заряджатися по експоненціальному закону з постійною часу τ_Р=R_НС. З такою ж постійною часу спадає вихідна напруга.

К U_вих

+ С r_З r_Р

+ -

Е

R_Н U_вих

- 3τ_З 3τ_Р t а б

Рис. 4.6. Еквівалентна схема електронного ключа (а) і вплив ємності на форму імпульсу електричного сигналу (б)

Діодні ключі. На рис. 4.7. представлена схема найпростішого послідовного діодного ключа з нульовим рівнем ввімкнення і його передаточна характеристика.

VD U_вих

Замкненому положенню ключа відповідає наявність на вході сигналу позитивної полярності. Якщо на вході сигнал від’ємної полярності, то ключ розімкнений.

Якщо відкладати значення напруг U_вх та U_вих в однакових масштабах, то перехідна характеристика буде складати з віссю абсцис кут α<45º.

U_вх І R U_вих

0

U_вх

а б

Рис 4.7. Схема найпростішого послідов-ного діодного ключа з нульовим рівнем ввімкнення (а)і його передаточна характеристика (б)

Це означає, що вихідна напруга буде завжди менша за вхідну, так як частина її спадає на прямому опорі діоду. Передаточна характеристика в додатному напрямку осей координат починається з нуля, тому діодні ключі з такою передаточною характеристикою називають ключами з нульовим рівнем спрацювання.