книги из ГПНТБ / Ицхоки Я.С. Импульсные и цифровые устройства [учебник]

жения высотой 0 R = Б. Схема использования двухступенчатой формирующей линии изображена на рис 6. Здесь две идентичные линии предварительно заряжаются до напряжения Е (ключ Кл в положении 1). Нагрузочный элемент сопротивлением R = 2W подключается между точками линии, находящимися при одинако­ вых зарядных потенциалах. При коротком замыкании одной из ли­ ний (для чего ключ Кл, который не должен обладать вентильными

свойствами, ставится в положе­ ние 2) на нагрузке образуется прямоугольный импульс напря­ жения высотой UR=E. Подроб­ ное описание работы такого фор­ мирующего устройства приводнтоя в работах [3, 134].

чатые формирующие линии применяются редко из-за их конструк­ тивной сложности и худшей формы получаемых импульсов.

Г.НЕОДНОРОДНЫЕ ФОРМИРУЮЩИЕ ЛИНИИ

9.В качестве формирующих двухполюсников могут быть использованы также и отрезки неоднородных длинных линий. Общая теория неоднородных линий разработана О. Н. Литвиненко и В. И. Сошниковым [40].

Применение неоднородной линии, соединенной последовательно с конденсатором, выполняющим' функции емкостного накопителя энергии, позволяет сформировать на активной нагрузке прямо­ угольный импульс напряжения, высота которого в 2 раза и более превосходит зарядное напряжение линии. Для такой возможности волновое сопротивление линии должно меняться по параболичес­ кому закону. Методика расчета таких линий изложена в книгах [15, 41]. Реализация такого способа формирования импульсов встречает некоторые конструктивные трудности [9].

10. В ряде практических случаев нагрузка приключается к формирующей линии через посредство импульсного трансформа­ тора. Влияние трансформатора на формирование вершины им­ пульса может быть учтено на основе эквивалентной схемы, изо­ браженной на рис. 7, а, где R' — приведенное сопротивление на­ грузки, a — индуктивность намагничивания трансформатора. При использовании в этом случае однородной формирующей линии из-за протекания намагничивающего тока происходит снижение вершины импульса (рис. 7, б). Как показал О. Н. Литвиненко, для устранения такого искажения формы импульса следует при­ менить вместо однородной неоднородную линию, волновое сопро­ тивление которой меняется по длине линии по гиперболическому закону (рис. 7, в), Методика расчета таких линий (а также соответ­ ствующих им неоднородных искусственных линий) изложена в кни­ гах [15, 41].

120

11. Практическое применение формирующих линий с рас­ пределенными параметрами сопряжено с конструктивными трудностями. Поэтому такие линии применяются при фор­ мировании импульсов наносекундного диапазона длитель­ ностей. При длительностях импульсов до (10—2ÖJ не исполь­ зуются коаксиальные кабели и полосковые линии. При боль­ шей длительности импульсов, но не превышающей 0,5 мкс, иногда применяют спиральные кабели [70, 72]. Применение кабельных линий в качестве формирующих двухполюсни­ ков ограничивается также сравнительно невысоким рабочим

Рис. 7.

напряжением кабельных линий. Устройства же, исполь­ зующие формирующие двухполюсники, часто служат для получения импульсов высокого напряжения, измеряемого десятками киловольт. К тому же ассортимент кабелей, вы­ пускаемых промышленностью (по номиналам волнового сопротивления), весьма ограничен. По указанным выше при­ чинам наибольшее применение при формировании импульсов длительностью более 0,05 мкс получили искусственные фор­ мирующие линии или формирующие цепи.

§7.3. ИСКУССТВЕННЫЕ ФОРМИРУЮЩИЕ ЛИНИИ

1.В качестве формирующего двухполюсника можно вместо однородной длинной линии воспользоваться искус­

ственной линией (рис. 8), составленной из некоторого числа k идентичных Г-образных звеньев (ячеек) с сосредоточен­

Повторяя рассуждения, изложенные при рассмотрении ис­ кусственной линии задержки, можно ожидать, что при раз-

121

ряде заряженной до напряжения Е искусственной линии на сопротивление

должен получиться импульс uR(t) формы, близкой к прямо­

Учитывая это, следовало бы при конструировании форми­ рующей линии в виде каскадного соединения Т-образных фильтров низкой частоты (см. рис. 6.11 и 6.12) установить индуктивность первого звена, прилегающего к нагрузке (рис. 8), равной не L H , а 0,5 L n . Однако, как будет показано, такое уменьшение индуктивности первого звена оказывается нецелесообразным. Во-вторых, что особенно существенно, при подаче на линию задержки прямоугольного импульса напряжения фронт и срез этого импульса искажаются иден­ тично. К такому выводу легко- прийти, представив прямо­ угольный импульс в виде суммы двух разнополярных сту­ пенчатых сигналов; искажение формы каждого из этих сиг­ налов на выходе линии задержки получается одинаковым. Иное положение имеет место в формирующей линии. При использовании в качестве формирующей линии коаксиаль­ ного кабеля фронт импульса имел бы практически прямо­ угольную форму, а срез импульса оказался бы искаженным. Соответственно при использовании искусственной линии

звенья тем слабее затронуты переходным процессом, вызы­ ваемым разрядом емкости первого звена на нагрузочное со-

122

противление, чем дальше от нагрузки это звено расположе­

искусственной линии. Поэтому крутизна среза импульса существенно уступает крутизне его фронта.

3. Форма импульсов. На рис. 9 изображены импульсы напряжения, формируемые искусственной линией (рис. 8), построенные по данным решения дифференциальных урав­ нений, описывающих процессы в искусственной линии при

Из рис. 9 видно, что крутизна среза импульсов прибли­ зительно в 4 раза меньше крутизны их фронта. На вершине импульсов проявляются наложенные колебания. С увели­ чением числа /г звеньев линии возрастает (примерно пропор­ ционально /г) число полупериодов колебаний, проявляемых 'на вершине импульса, а интенсивность колебаний умень­ шается. Однако величина первого наибольшего выброса ко­ лебаний почти не зависит от числа звеньев искусственной

123

Из построенных графиков также следует, что активная длительность формируемого импульса

ление формы импульса uR (t) из решения дифференциального урав­ нения порядка 2k усложняется [85}. Поэтому представляет прин­ ципиальный интерес изыскание приближенных методов анализа таких систем, чему в последние годы посвящены работы ряда совет­ ских специалистов [19а, 30,

74, 86].

импульса. Выполненный численный эксперимент позволяет выяс­ нить зависимость длительности среза от числа звеньев линии. Из рис. 10 видно, что при заданных параметрах звеньев форма фронта импульса не зависит от числа звеньев линии (см. пп. 2 и 5.)

5. Активная длительность фронта импульса. Найдем

приближенное выражение и,щ({) фронтовой части форми­ руемого импульса в предположении, что функция - «Н ф (^) определяется только параметрами выходного звена форми­ рующей линии (рис. 11).

При показанном на рис. 11 положительном направлении тока і начальное напряжение на конденсаторе и(0) = —Е.

124'

Учитывая это, составим операционное уравнение

Сравним это приближенное выражение с точным реше­ нием (рис. 9), соответствующим k = 4. На рис. 12 сплошной линией изображен график относительной величины UR[t)IUR, перестроенный из рис. 9, а пунктирной линией — график функции (17). Как видно, активные длительности фронтов в обоих случаях получаются практически одинаковыми. Та-

125

ким образом, приближенное решение (17) достаточно точно выражает фронтовую часть формируемого импульса напря­ жения. Заметим, что для построения графика иЩ)(і) доста­ точно в представленном на рис. 9 графике, соответствующем k = 1, сжать все абсциссы в /г раз, оставив при этом ордина­ ты неизменными.

Определяя из приближенного решения (17) моменты /о,і

Как видно, нужное для получения импульса с крутым фронтом число звеньев формирующей линии оказывается небольшим (зна­ чительно меньшим, чем это требуется для линии задержки).

7. Активная длительность среза импульса выражается

полученной из анализа, выполненного в работе [86] (см. п.4). В отличие от активной длительности фронта, которая при

Из сравнения формул (18) и (19) видно, что активная дли­ тельность среза примерно в 4 раза превосходит активную длительность фронта формируемого импульса.

8. Корректирование вершины импульса. Часто предъяв­

ляются высокие требования к постоянству вершины импуль­ сов. Импульсы же, формируемые искусственными линиями с одинаковыми параметрами звеньев (см. рис. 8), отли­ чаются существенным непостоянством своей вершины (см. рис. 9). Для ослабления наложенных на вершине им­ пульса колебаний приходится прибегать к тем или иным корректирующим средствам. К сожалению, при любом спо-

.126

собе коррекции уменьшается крутизна фронта импульса. Наилучшие результаты коррекции получаются при надле­ жащем подборе параметров в с е х звеньев линии. Но при нарушении однородности звеньев искусотвенной линии утра­ чивается достоинство технологической простоты изготовле­ ния таких линий. Поэтому целесообразно применить наи­ более простой способ практически полного подавления на< ложенных на вершине импульса колебаний [85], заключаю­ щийся в увеличении индук­

127

Из приведенной на рис. 13 сглаженной кривой видно, что введение дополнительной индуктивности Ьд = L H незначи­ тельно удлиняет активную длительность среза, которую практически можно рассчитывать по формуле (19). Что же касается активной длительности сглаженного импульса, то она несколько возрастает при введении дополнительной индуктивности L R = L„:

9. Так как при введении дополнительной индуктивнос­ ти Lд = L a длительность фронта импульса возрастает в 2 раза, то для восстановления нужной длительности фрон-

Рнс. 14.

та, соответствующей L a = 0, следует число звеньев ис­ кусственной линии увеличить вдвое. Но и при этом (см. при­ мер п. 6), число звеньев линии получается небольшим: при /ф = 0,1/и нужное число звеньев к = 6.

10. Повышение крутизны фронта импульса может быть до­ стигнуто включением параллельно формирующей линии коррек­

импульса. Кроме того, при работе по схеме рис. 14, а вершина им­ пульса не корректируется. Отмеченные недостатки в существенной

*> Аналогичный метод коррекции, но без сопротивления применяется при формировании импульсов наносекундного диапа­

в качестве коммутирующего прибора. Это вредное действие в не­ которой степени нейтрализуется включением емкости С к . Согласно опытным данным, наилучшие результаты получаются при С к =

=0,5СП .

128

нон искусственной линии (рис. 14, б) получить импульс напряже­ ния с достаточно крутым фронтом (рис. 14, в). Однако на вершине импульса заметно проявляются наложенные колебания.

В работе Г. А. Месяца [88] предложен оригинальный способ формирования длинного импульса с весьма коротким фронтом. Он заключается в стыковке, через посредство корректирующего звена, искусственной линии с небольшим отрезком коаксиального кабеля, который формирует фронт импульса. Таким путем удается получать импульсы длительностью в 1—3 мкс с фронтом в несколько нано­ секунд.

§ 7.4. ФОРМИРУЮЩИЕ Р.ЕАКТИВНЫЕ ДВУХПОЛЮСНИКИ

А. КАНОНИЧЕСКИЕ РЕАКТИВНЫЕ ЦЕПИ, ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ОДНОРОДНОЙ ДЛИННОЙ ЛИНИИ БЕЗ ПОТЕРЬ

1. Однородная линия без потерь не единственный вид линейной цепи, обладающей рассмотренными в § 7.2 идеальными формирующими свойствами. Совершенно таки-

Рис. 15. Рис. 16.

ми же формирующими свойствами обладают реактивные це­ пи двух канонических видов, схемы которых представлены на рис. 15 и 16. При приводимых ниже соотношениях пара­ метров этих цепей они эквивалентны одному и тому же от­ резку однородной линии без потерь, обладающей волновым сопротивлением W = j ^ L 0 / C 0 , длиной I =0,5ѵіи. Здесь