2.10 Элементы импульсной техники

2.10.1 Основные определения

Импульсная техника – это раздел радиотехники, изучающий способы получения, преобразования, усиления, передачи и изме­рения электрических импульсов. Это сравнительно новый раздел, зародившийся в начале 30-х годов, нашего века в связи с разви­тием телевидения. С конца 30-х годов происходит бурное разви­тие импульсной техники в связи с внедрением импульсных мето­дов работы в радиолокацию, радиосвязь, радионавигацию, радио­телеметрию, радиоизмерения и др.

Под электрическим импульсом (или кратко импульсом) по­нимают напряжение «ли ток, действующие в течение короткого времени и отличающиеся от нуля или другого ранее установив­шегося значения.

Существуют два вида импульсов тока и напряжения: видео­импульсы и радиоимпульсы (рис. 2.74).

Видеоимпульсы представлены на рис. 2.74, а. Они могут быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Радиоимпульсы представляют собой колебание высокой частоты, огибающая которых изменяется по закону изменения видеоимпульсов.

Основными характеристиками импульсов являются форма, пе­риод и частота повторения, длительность, фронт, амплитуда, по­лярность, коэффициент заполнения.

Форма импульсов может быть самая разнообразная. Наи­большее применение имеют прямоугольные, треугольные, трапе­цеидальные и колоколообразные (рис. 2.74).

Периодом повторения импульсов Т называется интервал, вре­мени от момента появления одного импульса до момента появле­ния следующего импульса той же полярности.

Количество периодов в одну секунду есть частота повторе­ния импульсов F. Она является величиной, обратной периоду:

Длительностью импульса τи называется интервал времени от момента появления импульса до момента его исчезновения. Иног­да уточняют, на каком уровне от максимального значения берут этот интервал. Время между моментом окончания одного импульса и появлением другого называется паузой τ_п.

Период повторения импульсов складывается из длительности импульса и длительности паузы:

Фронтом импульса называется его боковая сторона Разли­чают передний и задний фронты (рис. 2.75). Длительность перед­него фронта определяет время нарастания импульса. Длитель­ность заданного фронта t_c определяет время его спада.

Одним из основных требований получения прямоугольных им­пульсов является получение возможно более коротких фронтов импульса.

Амплитудой импульса (U_m, I_т) называют величину односторон­него импульса, измеренную от нуля до максимального значения.

Коэффициентом заполнения К. называют отношение длитель­ности импульса к периоду повторения Т:

2.10.2 Формирование импульсов

Получение импульсов различной формы и длительности осу­ществляется с помощью схем формирования импульсов. В радио­локационной технике и АСУ для этой цели применяются ампли­тудные ограничители, дифференцирующие цепи, контуры удар­ного возбуждения, линии задержки и др.

Наиболее простым и распространенным способом являются два первых способа.

Схема амплитудного ограничителя

Амплитудным ограничением называется срезание на опреде­лённом уровне амплитуды подаваемого, например синусоидаль­ного, напряжения. Для этой цели используются схемы диодного, сеточного и анодного ограничения. В качестве примера рассмот­рим схему диодного ограничителя (рис. 2.76). Его работа сво­дится к следующему.

При подаче на вход ограничителя синусоидального напряже­ния выходное напряжение ограничителя повторяет входное лишь при действии положительной полуволны входного напряжения, когда диод открывается и через нагрузку R_н течет ток. Во время действия отрицательной полуволны напряжения диод закрыва­ется, ток прекращается и напряжение на нагрузке равно нулю. Затем процесс повторяется.

В результате с выхода ограничителя Снимаются колоколо­образные импульсы напряжения с частотой повторения, равной периоду синусоидального напряжения. При противоположной по­лярности включения диода полярность выходных импульсов из­меняется на обратную.

Заряд и разряд емкости через активное сопротивление

Для формирования импульсов специальной формы, а также в качестве элементов связи между каскадами в импульсной тех­нике широко применяются цепи, состоящие из емкости и активного сопротивления. Прежде чем рассматривать работу этих це­пей, рассмотрим физические процессы, происходящие при заряде и разряде конденсатора через активное сопротивление.

На рис. 2.77 приведена схема заряда конденсатора С через активное сопротивление R. До замыкания ключа К напряжение на конденсаторе С и сопротивлении R равно нулю. В момент за­мыкания ключа в положение 1 под действием ЭДС источника Е в цепи потечет ток заряда конденсатора. В первое мгновение U этот той максимален и равен

По мере заряда конденсатора напряжение на нем U_c (рис. 2.77, г) увеличивается, а ток уменьшается по экспоненциальному закону, так как сопротивление разряженного конденсатора равно нулю (рис. 2.77,б). Падение напряжения на сопротив­лении R будет пропорционально величине проходящего по нему тока (рис. 2.77, в).

Таким образом, при заряде конденсатора через сопротивление ток в цепи уменьшается от максимального значения до нуля, на­пряжение на сопротивлении U_R также уменьшается от максималь­ного значения (Е) до нуля, а напряжение на конденсаторе увели­чивается по экспоненциальному закону от нуля до величины ЭДС источника Е.

Теоретически напряжение на заряжаемом конденсаторе может достигнуть ЭДС источника через промежуток времени, равный бесконечности. Однако в практических расчетах принято считать конденсатор зарядившимся, когда величина напряжения на нем достигает 99% максимально возможного значения. Это происхо­дит за время, примерно равное

Произведение сопротивления зарядной цепи R на емкость конденсатора C называется постоянной времени заряда конденсатора.

Постоянная времени показывает, за какое время спадающий по экспоненте ток (напряжение) достигнет примерно 37% ис­ходной величины. За время, равное постоянной времени, напря­жение на конденсаторе, возрастая, достигнет 63% действующей в цепи заряда ЭДС. Чем меньше постоянная времени, тем круче экспонента, тем быстрее происходит процесс заряда конденса­тора.

Разряд конденсатора через сопротивление будет происходить, если ключ К перевести в правое положение. При этом напряже­ние на конденсаторе будет уменьшаться по экспоненциальному закону от Е до нуля (рис. 2.77, д), в цепи появится ток разряда, изменяющийся от максимального значения до нуля, причем на­правление его будет от положительной обкладки конденсатора к отрицательной, т. е. обратное заряду конденсатора (рис. 2.77, е), напряжение на сопротивлении UR будет соответствовать вели­чине и направлению тока (рис. 2.77,ж).

Дифференцирующая цепь

Дифференцирующая (дробящая) цепь (рис. 2.78, а) – это цепь, предназначенная для получения коротких импульсов из им­пульсов большой длительности. Для этой цели используются цепи, состоящие из емкости и активного сопротивления. В отли­чие от переходной цепи дифференцирующая цепь имеет очень малую постоянную времени. Обычно она в пять раз меньше дли­тельности дифференцируемого импульса.

При подаче прямоугольного импульса (рис. 2.78, б) на вход дифференцирующей цепи конденсатор начинает заряжаться.

Зарядный ток проходит через сопротивление R, на котором выделяется продифференцированный положительный импульс на­пряжения (рис. 2.78, г). Небольшая постоянная времени обеспе­чивает быстрый заряд конденсатора до амплитудного значения напряжения входного импульса U₀ = U_m (рис. 2.78,в). Поэтому после заряда емкости ток в цепи заряда прекратится и напряже­ние на выходе цепи U_R=U_ВЫХ будет равно нулю, хотя действие входного импульса еще не закончилось.

С окончанием входного импульса заряженный конденсатор цепи разряжается через сопротивление R, на котором образуется отрицательный импульс напряжения, так как направление раз­рядного тока противоположно току заряда конденсатора, По­скольку цепь заряда и разряда конденсатора одна и та же, ам­плитуда и длительность положительного и отрицательного им­пульсов одинаковы.

Т аким образом, при воздействии на дифференцирующую цепь положительных прямоугольных импульсов большой длительности на выходе ее образуются два коротких остроконечных импульса; положительной и отрицательной полярности.

Интегрирующая цепь

Кроме дробления импульсов в радиотехнических схемах часто приходится решать обратную задачу – превращать короткие им­пульсы в длительные, а иногда и в постоянное напряжение. Эту задачу выполняют интегрирующие цепи.

Интегрирующей цепью (рис.2.79, а) называется цепь с боль­шой постоянной времени, которая удлиняет выходные импульсы в практически постоянное напряжение. При этом выходное напряжение снимается не с сопротивления, а с конденсатора. В интегрирующей цепи постоянная времени заряда должна быть больше периода повторения.