Методы измерения параметров импульсных сигналов Методы измерения параметров импульсных сигналов

Цель лабораторной работы:

Измерить с помощью осциллографа характеристики входных и выходных сигналов различной формы.

Методическая цель состоит в том, чтобы студент в результате выполнения работы:

1) приобрел умение использовать осциллограф для измерения амплитудных и временных параметров сигналов;

2) получил представление о количественных изменениях параметров сигналов после прохождения сигналов через интегральные и дифференциальные RC-цепочки, диодный ключ и ограничитель.

Теоретическое введение.

Все современные радиотехнические устройства можно разделить на два вида: аналоговые и импульсные. Аналоговые устройства работают в непрерывном режиме - это означает, что скачки напряжения в них наблюдаются лишь при включении и выключении.

Импульсные устройства работают в импульсном режиме, то есть скачки (перепады) напряжения лежат в основе работы этих устройств. Прежде чем изучать импульсные устройства, необходимо выяснить, что такое импульс.

Электрическим импульсом называют отклонение напряжения или тока от первоначального значения в течение короткого промежутка времени. Импульсы могут быть различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, колокольные, экспоненциальные и импульсы с экспоненциальным фронтом и срезом (см рис 1).

а) прямоугольный,

б) трапецеидальный

в) треугольный

г) колокольный

д) экспоненциальный

е) с экспоненциальным фронтом или срезом.

Различают видеоимпульсы и радиоим-пульсы, (рис 2)

Связь между этими двумя видами импульсов состоит в том, что огибающая радиоимпульса представляет собой видеоимпульс. Частота синусоиды, которой заполнен видеоимпульс, называется частотой Методы измерения параметров импульсных сигналов

заполнения. Обычного рассматривают только видеоимпульсы и их

преобразования, так как

радиоимпульсы, с помощью которых

ведут передачу информации в

радиотехнических трактах после

детектирования становятся

видеоимпульсами.

Рис 2. Виды импульсов.

а) видеоимпульс;

б) радиоимпульс.

Повторяющиеся импульсы образуют последовательность импульсов.

Если мгновенное значение последовательности импульсов повторяется через равные интервалы времени, то они образуют периодическую последовательность импульсов, (рис 3)

Принято различать следующие участки импульса (рис 1); фронт,

соответствующий быстрому возрастанию (точки 1-2), вершину, соответствующую медленным изменениям (точки 2-3), срез, соответствующий быстрому убыванию (точки 3-4). Иногда срезы показывают задним фронтом в отличии от переднего фронта. В реальных устройствах из - за влияния нелинейных сопротивлении форма импульса (рис 4) искажается: затягивается время нарастания и уменьшение напряжения (или тока), скашивается вершина, появляются выбросы; В результате становится неоднозначной длительность импульса, которая зависит от уровня напряжения (или тока),при котором она определяется. Для устранения неоднозначности в

описании импульсов условились использовать параметры, смысл которых поясняется на рис 4;

Um - амплитуда импульса

U - скос (завал) вершина импульса находится как разность амплитуды импульса в момент окончания переходного процесса и в момент окончания вершины импульса,

tф - длительность фронта равная времени нарастания импульса от 0,1 Uм до 0,9 Um

tc - длительность среза, равная времени уменьшения импульса от 0.9 Um до 0.1 Um

tв - длительность вершины измеряется на уровне 0.9 Um tu - длительность импульса, измеряется на уроне 0,1 Um. tu =tф + tв

+tc

Иногда вводят так называемую активную длительность импульса tua измеряемую на уровне 0.5 Um. При наличии периодической последователь-ности импульсов (рис 3) вводят понятия:

tп - интервал (пауза) между соседними импульсами

Т - период следования импульсов.

f=1/ T - величина, обратная периоду следования, называется частотой следования импульсов.

Q=TЛи - скважность импульсов

К= 1/ Q - величина обратная скважности,называется коэффициентом заполнения. В импульсных генераторах и усилителях коэффициент заполнения показывает, какую часть периода эти устройства работают в форсированном или облегченном режимах. В импульсных модуляторах Кз показывает, какую часть периода происходит накопление энергии (tп) и ее форсированная отдача (tu). Скважность изменяется в пределах от величины, близких к 1, до тысяч.

Рис 4.Определение параметров импульса.

Прежде чем импульсные сигналы выполнят свое назначение, они обычно претерпевают ряд преобразований. Можно утверждать, что различные преобразования импульсов во многих случаях осуществляются при помощи RC - цепей, то есть цепей в состав которых входят сопротивления и конденсаторы. Рассмотрим поведение RC - цепи при воздействии на нее прямоугольного импульса с амплитудой Uвx и длительностью tu.

Рис 5. Линейная RC цепь.

Пусть на вход RC-цепи подается одиночный прямоугольный формы Из (3) видно, что напряжение на конденсаторе экспоненциально нарастает от нуля, стремясь к установившемуся значению Uвx. Подставив (3) в (2), легко убедиться, что (2) обращается в равенство то есть выражение Uc = Uвx (1- ехр(- t /RC) действительно является решением. Из (1) зная, Uc, получаем закон изменения напряжения на резисторе.

Ur = Uвx-Uc = Uвx exp(-t/1) (4)

Напряжение на резисторе убывает по экспоненте, стремясь к нулю. На рис 6 изображены кривые нарастания Uc и спада Ur.

Ток в цепи пропорционален напряжению Ur, поэтому также экспоненциально убывает:

i = exp(-t/T) (5)

Постоянная времени Т характеризует крутизну экспоненты: чем меньше Т, тем быстрее экспоненциально спадающее напряжение стремится к нулю (рис 7).

Постоянная времени цепи заряда Т неравна времени, в течение которого конденсатор С полностью заряжается или ток [цепи] спадает практически до нуля. Действительно, если принять t = Т, то соотношение (3) даёт

Uct= Т = Uвx (1 -1/2,7 ) = 0,63Uвx (6)

а из соотношения (5 ) следует, что

i(T=t) = 0,37 Uвx/R=0,37 Ι max. (7 )

Таким образом, за время t, равное постоянной времени Т. напряжение на конденсаторе возрастает примерно до2/3, а ток заряда падает примерно до1/3 соответствующих максимальных значений. Практически напряжение на конденсаторе достигает максимума, а ток в цепи падает до нуля за время t=(3-5) T при достаточно большой длительности импульса (tu> 5T) (см рис 6 ).

Восстановление. В момент времени t=t₁ на вход цепи поступает срез импульса, то есть в цепи действует перепад напряжения. Происходит обратный процесс, при котором напряжение на емкости уменьшается по экспоненциальному закону.

Uc=Uвx ехр(- t/ Т ) (8)

Напряжение на активном сопротивление в первый момент скачком достигает знания напряжения на конденсаторе с обратным знаком. По мере разряда конденсатора это напряжение и соответствующий ему ток уменьшатся по экспоненциаль-ному закону (см рис 8 ).

Скорость протекания переходного процесса определяется как производная изменяющейся величины по времени.

Продифференцировав выражение (3), получим:

V= dUc/dt=Uвx exp(-t/T )/T (9)

Следовательно, скорость протекания процесса будет тем больше, чем больше приложенное напряжение и меньше чем меньше постоянная времени Т. Максимальное значение скорость будет иметь в начальный момент / t=0 /, когда множитель ехр(- t/T)=1.

Применения RC-цепи.

В зависимости от отношения T/tu напряжения на элементах цепи меняется по-разному. Поэтому RC применяется в следующих случаях:

1.Укорачивающая (дифференцирующая) цепочка.

Рис 9. Укорачивающая RC-цепь.

При Т<< tu в момент t=0 на вход подается перепад напряжения. Напряжение на емкости скачком измениться не может, значит

Uc(O ) =0.

Все напряжение источника приложено к резистору, то есть Ur(O ) =Uвx. Так как Т<<tu, заряд конденсатора протекает быстро и практически заканчивается задолго до конченная импульса. Поэтому напряжение на конденсаторе практически повторяет форму импульса (рис 11). Напряжение на активном сопротивлении, достигнув в первый момент скачком напряжения Uвx, а затем быстро убывает до нуля. Таким образом, на активном сопротивлении прямоугольный импульс преобразуется в два остроконечных импульса. Такая цепь называется дифференцирующей, так как напряжение на её выходе примерно пропорционально производной от входного напряжения по времени.

Uвых = Ur = iR = RC dUc/dt = RC dUвых/dt = (dUвx/dt(11), Uвx = Uc

Удлиняющая(интегрирующая цепочка)

Схема удлиняющей RC-цепи представлена на рис 11.

В начальный момент времени t = 0. Все напряжения источника приложенные к активному сопротивлению. Затем напряжение на емкости медленно нарастает, но к моменту окончания импульса не

успевает достигнуть величины приложенного напряжения Uвx. После окончания импульса конденсатор медленно разряжается. Таким

образом, на ёмкостном выходе цепи будут выделяться растянутые импульсы, имеющие форму пилы (см рис12).

Такая удлиняющая цепь носит название интегрирующей, так как напряжение на её выходе примерно пропорционально интегралу входного напряжения. Действительно, если учесть, что (>>tu, то можно считать, что ток заряда пропорционален входному напряжению, а приращение напряжения на конденсаторе запишется так:

(12)

dUвых = dq/ С = i dt / С = Uвx dt / RC = Uвx dt /, где q - заряд конденсатора (12)

К моменту окончания импульса напряжения на конденсаторе достигает значения:

(13)

и, следовательно, оказывается меньше амплитудны импульса в соотношении tu/ .

Диодные ограничители.

Ограничители используются в схемах формирования импульсов заданной полярности для селекции импульсов по амплитуде и так далее.

Ограничитель представляет собой устройство, напряжение на выходе которого U_вых изменяется пропорционально напряжению на входе U_вx до тех пор, пока входное напряжение изменяется в некоторых уровней, называемых порогом ограничения U_огр. Если входное напряжение выходит за порог ограничения, то напряжение на выходе U_вых остаётся постоянным, несмотря на изменения входного напряжения. На рис. 13 приведены передаточная характеристика (зависимость U_вых = ((U_вx)) и временные диаграммы, поясняющие работу ограничителя сверху (по максимуму входного напряжения). Пока напряжение на входе U_вx не превысит порог ограничения, выходное напряжение U_выx изменяется пропорционально U_вx. При увеличении напряжения на входе свыше U_oгp напряжение на выходе остаётся постоянным. На рис 14 приведены передаточная характеристика и временные диаграммы, иллюстрирующие работу двустороннего ограничителя. При изменении входного напряжения в пределах U_огр1 > U_вx > и_огр напряжение на выходе ограничителя меняется по томе же закону, что и на входе U_вх так как они связаны линейной зависимостью. Если же входное напряжение выходит за пределы U_огр1 и U_огр2 напряжение на выходе остаётся постоянным.

Диодные ограничители с нулевыми порогами ограничения называют диодными ключами. На рис15 изображена схема, и временные диаграммы. Диодные ключи применяют для исключения определенной полярности из последовательности радиополяных импульсов. При положительном напряжении на входе диод запирается ток в цепи падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_n равны нулю. При отрицательном входном напряжении выходное повторяет его форму.

Принцип действия диодных ограничителей основан на том, что сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении R_пp мало (составляет единицы-десятки Ом), а в обратном R_обр велико (составляет сотни килоом). При этом также следует иметь в виду, что диод проводит ток, когда потенциал его анода выше потенциала катода.

Диодные параллельные ограничители.

В параллельных диодных ограничителях диод и нагрузка включены параллельно, а на входе ставится ограничительное сопротивление R (см.рис16), величина которого должна значительно превышать сопротивление открытого диода, но в то же время быть много меньше сопротивления нагрузки:

R_v<<R<<R_н (15)

На рис.16 R_н отсутствует, так как роль нагрузочного сопротивления будет играть осциллографф, подключаемый Вами. Рис.16

При положительном напряжении диод заперт, и всё входное напряжение будет падать на диоде. Благодаря соотношению (9), выходное напряжение на нагрузке будет соответствовать входному.

При отрицательном напряжении диод откроется, и почти всё входное напряжение будет падать на незначитель-ном сопротивлении R, лишь незначитель-ная часть будет выделяться на диоде.

Происходит ограничение снизу. Однако порог ограничения равен нулю за счет прямого падения напряжения на диоде U_n (рис 17). Для кремниевых диодов этот порог составляет 0,6-1 В, для германиевых 0,1-0,3В. При изменение полярности включения диодов имеет место ограничения сверху. Два параллельных ограничителя сверху и снизу позволяют получить двустороннее ограничение (рис 18).

В пределах между порогами ограничения U_n и -U_n выходное напряжение соответствует входному, а за этими пределами происходит ограничение и сверху и снизу.

Методика исследования.

Методы измерения параметров импульсных сигналов.

1) Дифференцирующая RC- цепь.

2) Последовательный диодный ограничитель, диодный ключ.

3) Интегрирующая RC-цепь.

4) Параллельный диодный ограничитель.