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

§ 1.4. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКИ f

1. Начало изучения электрических импульсов связано с иссле­ дованием молнии, которое производилось в X V I I I веке русским ученым Г. В. Рихманом, трагически погибшим при постановке опы­ тов с молнией, и американским физиком В. Франклином. Для уяснения природы грозовых разрядов М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман обстоятельно обследовали искровой разряд разрядника.

2.Исследованием процессов, носящих импульсный характер, занимались академик В. В. Петров (1802 г.), изучавший дуговой разряд, и изобретатели электрического освещения П. Н. Яблочков

иА. Н. Лодыгин (1870—1880 гг.). Они обратили внимание на пере­ напряжения в электрических установках, возникавшие при ком­ мутации электрических цепей.

3.Первое полезное применение импульсных методов работы связано с изобретением П. Л. Шиллингом телеграфа, усовершен­

ствованного Б. С. Якоби и С. Морзе (1832—1850 гг.).

4. Знаменательное применение импульсных режимов работы в области, получившей название радиотехники, связано с осново­ полагающим открытием А. С. Поповым радио (1895 г.). Для генера­ ции радиоволн А. С. Попов успешно использовал импульсный искровой передатчик.

5. В 1907 г. академик Л. И. Мандельштам выдвинул идею ис­ пользования электрических величин, изменяющихся по известному закону, для создания точного масштаба времени при измерении малых длительностей переходных процессов. Эта идея была реали­ зована в устройстве временной развертки осциллографа. Так было открыто важное средство для исследования кратковременных им­ пульсных процессов.

6.В 1907 г. профессор Петербургского технологического ин­ ститута Б. Л. Розинг впервые использовал электроннолучевую трубку для приема сигналов изображения. Этим было положено начало телевидению, сыгравшему большую роль в развитии импуль­ сной техники.

7.В 1918 г. М. А. Бонч-Бруевичем было сделано важное для последующего развития импульсной техники открытие. Им было разработано и обследовано электронное устройство, позволявшее

создавать скачкообразные изменения токов и напряжений. В 1919 г. X . Абрагамом и Е. Блохом была разработана схема са­ мовозбуждающегося мультивибратора, а В. Икклзом и Ф. Джорда­ ном — схема триггера. Эти исследования составили основу для раз­ работки ряда устройств, широко используемых в импульсной тех­ нике.

8. В конце двадцатых годов выявилась потребность исполь­ зования коротких волн для увеличения дальности радиосвязи. Распространение коротких волн связано с их отражением от иони­ зированных слоев атмосферы, и оказалось нужным измерить вы­ соту таких слоев. Эта задача была успешно решена путем приме­ нения импульсного метода измерения расстояний. Первая в СССР

установка такого рода была создана в 1932 г. под руководством М. А. Бонч-Бруевича. Некоторые принципы работы этой установки нашли впоследствии применение в радиолокации.

9. Значительную роль в освоении импульсных методов работы сыграло развитие электроэнергетики. В соответствии с планом

10

ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРМЫ ИМПУЛЬСОВ

§2.1. ФОРМА И ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСОВ

1.В импульсной технике применяются импульсы разной формы. На рис. 1 изображены импульсы идеализированной формы, которые можно рассматривать как образцы импуль­ сов реальной формы; они известны под названием, отражаю­

щим геометрические свойства импульсов: прямоугольный

•в.

А

Подразделение импульса на участки диктуется практи­ ческими соображениями. Фронт и срез импульса обычно определяют моменты срабатывания (отпирания или запира­ ния) электронного прибора, подверженного воздействию импульса. Вершина импульса, часто являющаяся упло­ щенной, соответствует рабочей части импульса (она опреде­ ляет, например, длительность отпертого состояния элект­ ронного прибора). Из-за несовершенства устройств форми­ рования импульсов обычно получается некоторое непо­ стоянство величины импульса на его вершине (рис. 2).

3.Основными параметрами импульса являются (рис. 2):

А— высота импульса (амплитуда импульса);

12

Иногда (например, при.импульсной модуляции магне­ трона) предъявляются жесткие требования к постоянству вершины импульса (кл 0,01 -f- 0,05). В ряде случаев эти требования значительно смягчаются ( А ^ - ^ О . І ) . При фор­ мировании предельно коротких импульсов вообще не удает­ ся получать импульсы с уплощенной вершиной (трапецеи­ дальный импульс вырож­ дается в треугольный). -г

4.Активная длитель- |

некоторого уровня; этот уровень обычно близок к 50% от

во для прямоугольного импульса. У треугольного импульса

ta = 0,5^и0.

5. Активные длительности фронта и среза импульса. Реально получаемые импульсы не отличаются остротой и геометрической простотой формы, свойственной импуль­ сам идеализированной формы (см. рис.1). На рис. 3 пред­ ставлен примерный вид реально получаемого импульса тра­ пецеидальной формы. Определение длительностей фронта

малоопределенным. Поэтому для характеристики формы реальных импульсов введено понятие об активных длитель­ ностях фронта и среза импульсов.

Активная длительность фронта (/ф ) и активная длитель­ ность среза (/с ) определяются разностями соответствующих моментов времени, в которые величина импульса a=a(t)

13

принимает значения а = 0,9/4 и а ==0,1/4 (рис. 3):

у которых хотя и проявляется уплощенный характер вер­

При оперировании с импульсом, изображенным на рис. 4, определение активной длительности среза указанным в п. 5 путем

разно определять активную длительность среза из построения,

*N — Ы-

14

7. В ряде случаев практики важна достаточно точная фиксация моментов ^ или /2 (Р и с - 5), некоторые величина импульса напряжения (на фронте или срезе) равна некото­ рому пороговому значению Uaop. Из-за нестабильности ис­ точников питания или в результате смены электронного прибора величина порогового напряжения меняется в не­

чаются и при изменении высоты U импульса.

При прямоугольном импульсе описанной выше вариа­ ции моментов tx или t2 не происходило бы. Чем меньше дли­ тельность фронта (среза), тем меньше временная нестабиль­ ность работы импульсных устройств. Поэтому обычно

предъявляются определенные требования к длительности фронта или среза импульса. Эти требования в зависимости от назначения определяются равенствами:

8. Из-за влияния паразитных элементов импульсных устройств на вершине и хвосте импульса иногда заметно проявляются нежелательные для многих применений на­ ложенные паразитные колебания (рис. 6). Благоприятно то, что благодаря наличию в рабочих цепях устройств активных сопротивлений паразитные колебания довольно быстро за­ тухают. Для ускорения затухания иногда специально вво­ дят активные элементы в рабочие цепи устройств.

В ряде технических применений (в частности, в телеви­ дении) предъявляются определенные требования к равномер­ ности вершины импульса, нарушаемой паразитными коле­ баниями. Неравномерность вершины оценивается относи-

16

тельной величиной Л в выброса импульса (рис. 6); аналогич­ но оценивается значимость обратного выброса А~і,~

Выброс импульса определяет пиковое значение импульса Л п = А + Л в . Но высота А импульса, выражающая его номинальную величину, обычно определяется без учета паразитных колебаний на вершине.

9. Основные параметры последовательности импульсов. Наиболее важными являются три связанных между собой параметра: период ТП повторения импульсов, скважность следования импульсов Qc — TJta и частота повторения им­ пульсов

К=^г. (2.7)

' п

Частота повторения импульсов определяет число им­ пульсов в 1 с; она измеряется в герцах (мегагерцах); 1 Гц — частота повторения, соответствующая 1 импульсу в 1 о.

Ю- Последовательность импульсов характеризуется также своим средним и действующим значениями, зависящими от формы импульсов и, в особенности, от скважности их следования. Опре­ делим эти значения для периодической последовательности им­

Для последовательности прямоугольных импульсов высотой А

(2.8а)

Действующее (эффективное) значение последовательности им­ пульсов находится из равенства энергий

16

§2.2. ПАРАМЕТРЫ ТИПОВЫХ ИМПУЛЬСОВ

1.Активная длительность фронта экспоненциальной формы. Фронтовая часть импульса часто выражается ана­ литически экспоненциальной функцией времени (рис. 7)

используя для этого первые два члена разложения в ряд функции

17

Таким образом, активная длительность фронта экспонен­ циальной формы в 2,2 раза больше постоянной времени 0.

2. Экспоненциальный импульс. Определим активную длительность экспоненциального импульса (рис. 8), выра­ жаемого функцией

18

няющегося по экспоненциальному закону (см. п. 1). Поэтому ак­ тивная длительность среза экспоненциального импульса

щую часть импульса (фронт), а экспонента с постоянной

времени t)t = l/ßA определяет, в основном, падающую часть импульса (срез). В формуле (15) величина В не равна вы­ соте А импульса, что ясно из приведенного на рис. 10 (в не­ сколько уменьшенном масштабе) построения; здесь пунктир­ ными линиями изображены графики двух составляющих функции (15), разность которых представляет график рас­ сматриваемого импульса. Как видно, В~>А.

\19