Импульсные устройства общие сведения

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения, отображения и передачи информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени (например напряжение изменяется пропорционально регулируемой температуре), в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.

Необходимость разработки импульсных устройств была обусловлена целым рядом объективных причин: периодичностью характера многих производственных процессов; необходимостью разделения технологических процессов на отдельные такты (операции); необходимостью передачи различной информации по одному каналу связи; необходимостью создания большого числа устройств, использующих импульсный принцип действия, для цифровой вычислительной техники и т. д.

Однако помимо производственных причин развитию импульсной техники способствовали их преимущества перед аналоговыми системами:

- при относительно малой средней мощности достижима весьма большая мощность сигнала в импульсе, что наряду с возможностью кодирования информации, позволяет принципиально повысить помехозащищённость канала передачи информации;

- малое значение средней мощности (за период повторения импульсов) устройства, обусловленное его высоким к. п. д. (за счёт ключевого режима работы управляемых элементов и, как следствие, практически полного отсутствия потребления энергии в промежутке между импульсами) позволяет значительно снизить габариты и массу электронной аппаратуры;

- ослабляет влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств, что объясняется ключевым режимом их работы, предполагающем два крайних состояния «Включено» - «Выключено» и обеспечивающим уменьшение энергии, выделяемой в элементах импульсного устройства;

- позволяет значительно повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры (пропускная способность – наибольшая возможная скорость передачи информации, а помехоустойчивость – способность аппаратуры различать сигналы с заданной достоверностью) (Сигналы импульсных устройств дискретны и представляют комбинацию стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше чем непрерывных сигналов. Выше и помехоустойчивость, так как искажение параметров импульсов, например амплитуды, помехами не искажает информацию, заключённую в определённом сочетании импульсов);

- для реализации импульсных устройств, даже сложных, требуется, как правило, ограниченный набор однотипных элементов, легко выполняемых методами интегральной технологии, что позволяет повысить надёжность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной кривым (рис.1а…в), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности (рис.1г). Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере реального импульса напряжения с формой кривой, близкой к прямоугольной (рис. 2).

Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения. Затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течении некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадание импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина(плоская часть) и срез(задний фронт).

Рис. 1. Импульсные сигналы прямоугольной (а), пилообразной (б), экспоненциальной (в), прямоугольной с чередующейся полярностью (г) форм.

Рис. 2. Реальный импульс напряжения прямоугольной формы.

Параметрами импульса являются: амплитуда, длительность, длительность фронта, длительность среза и спад вершины.

Амплитуда импульса U_m определяет наибольшее значение напряжения импульсного сигнала.

Длительность импульса характеризует продолжительность импульса во времени. Её часто измеряют на уровне, соответствующем половине амплитуды (активная длительность импульса).

Длительность фронта и длительность среза импульса характеризуют соответственно времена нарастания и спада импульса. Наиболее часто пользуются понятиями активных длительностей фронта и среза, представляющими указанные времена изменения напряжения относительно уровней 0,1U_m и 0,9U_m (рис.2).

Спад вершины импульсаи его относительная величина отражают уменьшение напряжения на плоской части импульса.

Параметрами последовательности импульсов (см. рис. 1а) является период повторения (следования), частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.

Периодом повторения импульсов называется интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов.

Величину обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов: f = 1/Т.

Паузой называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов: .

Коэффициент заполнения характеризуется отношением длительности импульсов к периоду их следования:

Величину обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: .

Импульсный сигнал (последовательность импульсов) обладает большими информационными возможностями. Для преобразования электрического или неэлектрического параметра в сигнал импульсной формы наибольшее применение получили время – импульсный и число-импульсный методы. Носителем информации в первом случае является длительность импульсов, во втором число импульсов в фиксированном интервале времени.

Для передачи информации о непрерывном сигнале в виде прямоугольных импульсов изменяется один или несколько параметров последовательности импульсов (т. е. осуществляется модуляция сигнала). Так как периодическая последовательность идеальных прямоугольных импульсов характеризуется четырьмя параметрами: амплитудой, длительностью импульса, частотой повторения импульсов и фазой (временное расположение импульса относительно тактовых импульсов), то выделяют четыре вида импульсной модуляции: АИМ (амплитудно-импульсная); ШИМ (широтно-импульсная); ЧИМ (частотно-импульсная); ФИМ (фазо-импульсная). Для увеличения точности и помехозащищённости применяют кодово-импульсную модуляцию, при которой информация представляется в виде числа, которому соответствует определённый набор импульсов (код). В последнем случае параметры импульсов могут не меняться, а существенно наличие либо отсутствие импульса в заданные моменты времени.

Импульсные устройства широко применяются в вычислительной технике, автоматике, преобразовательной технике, информационно-измерительной технике, системах связи и радиолокации, радиоастрономии и радионавигации и т. д. и т. п.

Лабораторная работа №1