Введение

Импульсная техника занимается изучением методов и средств получения и преобразования импульсов, а также управления ими. Задачи, стоящие перед импульсной техникой, выдвигаются потребностями практики в связи с множеством различных применений импульсных методов. Импульсная техника является составной частью радиоэлектроники и служит, в частности, базой радиолокации, телевидения, радионавигации, многоканальной связи, компьютерной техники и др. К областям науки и техники, где эффективно используются импульсные методы, относятся также телеуправление, измерение электрических и неэлектрических величин, кодированная радиосвязь, промышленная автоматика.

В последние несколько десятилетий импульсная техника обогатилась новой областью – цифровой техникой – основой электронных цифровых вычислительных машин, станков с ЧПУ, роботов, сотовых телефонов, цифрового телевидения и т.п. С развитием цифровой техники на новую качественную ступень перешли средства связи, радиолокация, управление предприятиями и целыми отраслями народного хозяйства, комплексов для обработки различных видов информации. Этому в немалой степени способствовали разработка и создание новой элементной базы, что привело к резкому снижению габаритов и массы радиоэлектронной аппаратуры. На основе импульсной техники идёт бурное развитие новых поколений телевизионной, радиовещательной техники, спутниковых радионавигационных систем, радиолокационных систем и др.

Импульсная техника решает разнообразные задачи, основными из которых являются:

1. Формирование импульсов с помощью линейных и нелинейных электрических цепей. При этом из синусоидальных колебаний и различных импульсов формируются импульсы необходимой формы, длительности и полярности.

2. Генерирование импульсов релаксационными генераторами с самовозбуждением и с посторонним запуском. Параметры генерируемых импульсов определяются типом генератора и параметрами его схемы.

3. Управление импульсами, что включает синхронизацию генераторов импульсов и временнýю задержку импульсов, т.е. вопросы, связанные с управлением временным положением импульсов, а также вопросы счёта импульсов.

Глава 1. Сигналы импульсных устройств

1. Общие сведения

Сигналом называют физический процесс, несущий информацию. Сигналы могут быть звуковыми, световыми, электрическими.

Информация сосредоточена в изменениях параметров физического процесса. Если параметры процесса не меняются, то он не является сигналом. Так, например, неизменный по тональности и громкости звук, световой поток или синусоидальное электрическое колебание с постоянной амплитудой или частотой никакого сообщения не содержат. Наоборот, в изменениях громкости и тона звука, яркости и цвета светового излучения, амплитуды, частоты или фазы электрического колебания запечатлена информация. Информативным является также появление или окончание, например, электрического колебания, т.е. его изменения.

Сигналы на выходе микрофона, передающей ТВ- камеры, различного рода датчиков аналогичны по своему «рисунку» воздействиям на эти устройства – звуковому давлению, распределению освещённости, температуре и т.п. Поэтому подобные сигналы называют аналоговыми. Между минимальным и максимальным значениями аналоговый сигнал может иметь любое значение. Обычно аналоговые сигналы являются непрерывными. Устройства, в которых производится обработка таких сигналов, называются аналоговыми.

Расстояние, на которое передаётся электрический сигнал, может быть как весьма малым (в пределах устройства), так и весьма большим (например, при исследовании космического пространства).

По физическим линиям связи (проводам) электрические сигналы могут передаваться в том виде, в каком они снимаются с источника. При передаче сигнала через открытое пространство производят модуляцию информационным сигналом высокочастотное колебание, за счёт чего обеспечиваются эффективное излучение и приём сигнала.

Информация, которую переносит сигнал, может являться сообщением о событии, о режиме технологического процесса, представлять команду на включение или выключение какой-либо аппаратуры и т.д. Переданная информация может быть выражена различным образом: речью, изображением, звуком, электрическим колебанием.

2. Переходные процессы в электрических цепях

Всякий режим, длительно существующий в электрической цепи и характеризующийся неизменными значениями токов и напряжений, называется стационарным (установившимся) режимом. Такому режиму соответствует определённый запас энергии, сосредоточивающийся в реактивных элементах цепи – индуктивностях и ёмкостях.

Любые изменения нагрузки или напряжения источника питания (включение или выключение его) приводят в итоге к новому установившемуся режиму с другими значениями токов, напряжений и, следовательно, запасом энергии в реактивных элементах.

Переход от одного стационарного состояния к другому называется переходным (нестационарным) процессом, который связан с изменением запаса энергии.

Всякое изменение запаса электрической или магнитной энергии не может происходить мгновенно, а сопровождается процессом установления нового энергетического режима в цепи. При воздействии на вход электрической цепи импульсов с крутым фронтом без особых погрешностей можно полагать, что воздействие этого импульса на электрическую цепь происходит скачкообразно, подобно мгновенному включению или выключению напряжения (тока).

Теоретически можно считать, что коммутация цепи (т.е. изменение параметров цепи или схемы самой цепи) происходит мгновенно, т.е. на включение и выключение цепи время не расходуется. Тем не менее, переход от одного режим работы цепи к другому происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. Объясняется это тем, что каждому состоянию цепи соответствует определённый запас энергии электрических и магнитных полей. Переход к новому режиму связан с нарастанием или убыванием энергии этих полей. Энергия магнитного поля

………………………(1.1)

и электрического поля

…………………….. (1.2)

не может мгновенно изменяться, энергия может изменяться только плавно.

Если попытаться предположить обратное, то на индуктивности появилось бы бесконечно большое напряжение:

,

(где – поток магнитной индукции), что лишено физического смысла так как

при dt → 0.

Аналогично невозможно себе представить скачкообразное изменение электрического поля ёмкости, так как в противном случае через ёмкость должен был бы протекать бесконечно большой ток

при dt → 0,

что также лишено физического смысла.

Наконец, известно, что мощность . Если предположить, что запасённая в реактивном элементе энергия может изменяться скачком, то при условии dt → 0 мощность должна достигать бесконечно больших значений, а это возможно было бы при внутреннем сопротивлении источника R_i = 0.

Ясно, что этого быть не может.

Свойство реактивных элементов цепи (L и C) запасать или расходовать определённую энергию в конечный промежуток времени характеризует их электрическую инерционность. Именно это свойство реактивных элементов цепи и лежит в основе переходных процессов. В линейных цепях, не содержащих реактивных элементов, переходные процессы отсутствуют.

Для количественной характеристики длительности переходных процессов в простых электрических цепях, содержащих комбинации R, L и C вводится понятие постоянной времени (τ). Этот параметр имеет размерность

времени (с).

Сущность параметра τ можно показать на примере цепей, в которых переходные процессы имеют ярко выраженный экспоненциальный характер (рис.1.1).

Рис.1.1. Цепь RС с экспоненциальным зарядом конденсатора

Такие электрические цепи обязательно содержат реактивные элементы

L или C, а также активное сопротивление R. Так, для цепи заряда ёмкости C от мгновенного включения источника постоянного напряжения U_вх = Е (рис.1.1) закон изменения тока заряда ёмкости имеет вид:

……………………………(1.3).

Напряжение на выходе цепи

…………………. (1.4).

(Это выражение получается при математическом анализе переходного процесса в данной цепи; мы даём его без вывода).

Выражение (1.4) называется экспоненциальной функцией. Другая её запись:

……………………… (1.5).

Произведение

……………………………………… (1.6)

называется постоянной времени цепи.

Особенностью этой функции является то, что при t ≥ 0 она монотонно убывает. Все значения этой функции положительны. Максимальное значение функции соответствует моменту времени . Минимальное значение функции равно нулю при и является предельным её значением. Стремление функции к этому значению происходит асимптотически. Для достижения предельного значения требуется бесконечно большое время.

Постоянная времени характеризует скорость установления стационарного режима в цепи, т.е. скорость переходного процесса. Численно постоянная времени равна времени, в течение которого амплитуда напряжения (тока) в цепи изменяется в е раз (е ≈ 2,72). Если напряжение (ток) возрастает от какого-либо уровня (в том числе и от нулевого), то постоянная времени численно равна интервалу времени, в течение которого экспоненциально возрастающий сигнал достигает примерно 63% своей максимальной величины (рис.1.2).

Рис.1.2. Закон изменения напряжения на ёмкости цепи,

изображённой на рис.1.1.

Напряжение на ёмкости изменяется по экспоненциальному закону

………………………… (1.7).

Если же напряжение (ток) уменьшается от какого-либо уровня (в том числе и от максимального), то постоянная времени численно равна времени, в течение которого сигнал экспоненциально убывает примерно до 37% от своего максимума (рис.1.3).

Рис.1.3. Закон изменения тока, протекающего через ёмкость цепи,

изображённой на рис.1.1.

Ток, протекающий через ёмкость, изменяется по экспоненциальному

закону:

……………………………. (1.8).

В справедливости выражений (1.7) и (1.8) легко убедиться, подставляя в них последовательно значения t = τ; t = 2τ; t = 3τ и т.д. (табл.1.1):

Табл.1.1.

	Закон спадания напряжения (тока)	Закон нарастания напряжения (тока)
1	0,367 Е	0,633 Е
2	0,135 Е	0,865 Е
3	0,050 Е	0,950 Е
4	0,018 Е	0,982 Е
5	0,007 Е	0,993 Е

Отсюда следует вывод, что для окончания переходного процесса требуется время

t = (3…5)τ ………………………………... (1.9).

За это время любой переходный процесс прекращается на (95…99)%.

Таким образом, мы убедились в том, что для переходного процесса требуется вполне конкретное время, определяемое длительностью импульса, действующего на входе цепи, и параметрами этой цепи.

Тем не менее, в импульсной технике принимают следующие допущения, позволяющие упростить анализ электрических цепей с сосредоточенными параметрами. Эти допущения носят название законов коммутации:

1. Токи, протекающие через конденсаторы и резисторы, могут изменяться скачкообразно.

2. Напряжения на индуктивностях и резисторах могут изменяться скачкообразно.

Первый закон коммутации можно объяснить следующим образом. Известно, что ток, протекающий через ёмкость, и напряжение на этой ёмкости связаны следующими соотношениями:

…………………………...... (1.10)

и ……………………(1.11).

Из выражения (1.11) следует, что при любом конечном изменении тока

i_c(t), заряжающего конденсатор, напряжение на нём скачком изменяться не может.

Аналогично можно объяснить второй закон коммутации.

Известно, что напряжение, приложенное к индуктивности, и протекающий через неё ток связаны следующими соотношениями:

………………………….... (1.12)

и ……………….... (1.13).

Из выражения (1.13) следует, что при любом конечном изменении напряжения на индуктивности ток через неё скачком изменяться не может.

Наличие переходных процессов является причиной искажения формы импульсов, действующих в линейной цепи. Если бы все процессы в цепи устанавливались мгновенно, то никаких искажений импульсов в линейной цепи не было бы.