Импульсные электронные устройства. Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники. Электронные ключи. Интегральные логические схемы. Симметричный мультивибратор в режиме автоколебаний

Устройства импульсной и цифровой электроники существенно отличается от устройств аналоговой электроники видом используемых сигналов (цифровые сигналы) и приёмами проектирования.
Цифровой сигнал может принимать два значения (высокого уровня и низкого уровня). Устройства, работающие с цифровыми сигналами, называются цифровыми.
Цифровыми сигналами сигналом представляются двоичные числа. Элементами сигнала являются нуль(0) и единица(1).
Цифровой сигнал может быть потенциальным или импульсивным:

Устройства для формирования цифровых сигналов

Для получения цифровых уровней, соответствующих логической 1 и логическому 0 применяют специальные схемы.

Аналоговый компаратор

Компаратор предназначен для сравнения аналоговых сигналов: входного (измеряемого) Uх и опорного (Uоп ). В момент равенства сигналов Uх = Uоп напряжение Uвых резко изменяются.
До момента t1 Uоп > Uх и Uвых =U+ нас .
В момент t1 Uх ≥ Uоп и Uвых =U- нас .
В момент t2 вновь наступает Uоп ≥ Uх и Uвых =U+ нас .
Пунктиром показано характеристика идеального компаратора, у которого переключение происходит мгновенно при Uх = Uоп . Сплошная линия соответствует реальному компаратору, у которого переключение происходит с запаздыванием относительно t1 и t2. Для получения на выходе компаратора цифровых уровней, соответствующих логическому нулю (0) и логической единицы (1), вводят ограничитель, состоящий из диодов VД1 и VД2.

Напряжение на открытом диоде около 0,7 В. По этому напряжение на выходе не может быть выше 5,7 В (при Uвых > 0 и открыт VД1). И ниже — 0,7 В (при Uвых < 0 и открыт VД2). Однако рассмотренные схемы компараторов отличаются низкой помехозащищённостью. Указанный недостаток устраняется при введении в схему положительной обратной связи.

Триггер Шмитта

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта.
Резисторами R2 и R4 введена положительная обратная связь. Напряжение в точке А равна сумме напряжений Uоп и Uос . Напряжение Uос =(U’вых *R2)/(R2+R4)
Когда U’вых = U+ нас напряжение в т. А равно напряжению срабатывания Uсраб = Uоп + Uос . Когда U’вых = U- нас напряжение в т. А равно напряжению отпускания Uотп = Uоп — Uос .
За счёт положительной обратной связи компаратор обладает гистерезисом (рис в): переходы Uвых от одного уровня к другому происходят при разных входных напряжениях (Uсраб , Uотп .) Если амплитуда помехи меньше разности Uсраб — Uотп , то сложного срабатывания не будет (устраняется «дребезг»). Напряжение на выходе Uвых изменяются от уровня логической 1 до уровня логической 0.

Параметры компараторов

Компараторы описывается многими из тех параметров, которые характерны для ОУ (коэффициентом усиления, входным сопротивлением, коэффициентом ослабления синфазного сигнала, напряжение смещения нуля, значением входных токов и т.д.).На ряду с этим ему свойственны и специфические параметры, к которым относятся чувствительность и время переключение.
Чувствительность (разрешающая способность) характеризует точность сравнения сигналов и соответствует их минимальной разности ΔUвх min , при которой напряжение на выходе достигает уровня срабатывания логического элемента. Значение ΔUвх min у ИМС компараторов имеет порядок сотен микровольт, что хуже, чем у компараторов на ИМС операционных усилителей.
Время переключения tпер характеризует быстродействие компараторов и соответствует времени с момента сравнения до момента достижения выходных напряжением уровня срабатывания цифрового элемента. Время переключения существенно зависит от разности сигналов на входах. Типичные значения tпр составляют десятки, сотни НС.

Генераторы импульсных сигналов

Наиболее распространенные генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения. Генераторы могут работать в режимах: автоколебательном, ждущем, синхронизации. В автоколебательном режиме импульсные сигналы формируются непрерывно без внешнего воздействия. В ждущем режиме импульсный сигнал формируется лишь по приходу запускающего сигнала. В режиме синхронизации формируется импульсные напряжения, частота которых равна или кратное частоте синхронизирующего сигнала.

Генераторы прямоугольных импульсов

Подобно генераторам гармонических колебаний генераторы прямоугольных импульсов преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. Генераторы импульсных сигналов восполняют на дискретных, логических элементах или на ОУ.

Симметричный мультивибратор в режиме автоколебаний

Мультивибратор выполнен на основе триггера Шмитта. R2 и R4 образуют положительную обратную связь, R1 и c образует отрицательную обратную связь. В зависимости от напряжения на выходе, которое может быть равно либо + Еп, либо — Еп (Еп — напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или, или
Ёмкость С перезаряжается с постоянной времени τ = RC.
Мультивибратор формирует прямоугольные импульсы (рис в) с периодом T=2RCgn(1+R3/R2)
Время tu1 заряда конденсатора С равно времени tu2 разряда, поэтому мультивибратор называется симметричным. Период колебаний T = tu1 + tu2.

Несимметричный мультивибратор времени автоколебаний

Для получения колебаний, у которых tu1 ≠ tu2 вместо резистора R1 включаем два разных резистора R1 и R2 и два диода VД1 и VД2. Резистором R1 можно менять постоянную времени зарядки конденсатора С, а с резистором R2- постоянную времени его разрядки.

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

За счёт диода VD отрицательное напряжение на конденсаторе С (Uc) может иметь только отрицательное значение порядка — 0,7 В. Схема имеет одно устойчивое состояние, когда Uвых =U- нас = -Еп (диод VD открыт). Из этого состояния схема не может самостоятельно переключить к уровню Uвых =U+ нас =Еп.
С приходом положительного запускающего импульса Uзап = Uм > Uср схема переключается к уровню Uвых =U+ нас = Еп. После этого начинается заряд конденсатора С через резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе Uc достигнет значение Uотп происходит возвращение схемы к уровню Uвых =U- нас =-Еп. В этом состоянии схема пребывает до поступления следующего запускающего импульсе.

Генераторы линейного изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Линейно изменяющимся напряжением (пилообразным импульсом) называют напряжение, показанное на рисунке:

Импульс составляется двумя фронтами. Передний фронт (рабочий или прямой ход) является линейно изменяющимся длительностью tпр. Задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону в течении времени tобр . Импульс характеризуется начальным уровнем Uо и амплитудой Um.
Пилообразные импульсы используются для разведки электронного луча в осциллографах, телевизорах и т.д.
Принцип построение ГЛИН основан на зарядке ёмкости постоянным током.
Линейно изменяющееся напряжение можно получить с помощью интегратора:

На вход подано постоянное напряжение Uвх = const. Ток через конденсатор С равен I=Uвх /R=const.
На конденсаторе С формируется линейно изменяющее напряжение Uвых =-Uвх g/RC.
Обратный ход формируется в процессе быстрой разрядки конденсатора после замыкания ключа Кл.

Аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи

Преобразование аналогового сигнала в цифровой и обратное преобразование применяется в измерительной технике (осциллографы, вольт метры, генераторы и т.д), В бытовой аппаратуре (телевизор, музыкальные центры, автомобильная электроника и т.д), в компьютерной технике (ввод и вывод звука, видеомониторы, принтеры и т.д), в медицинской технике, в телефонии и т.д.
При этом применение АЦП и ЦАП постоянно расширяется по мере перехода от аналоговых устройств к цифровым.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП или ADC)

АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки обработки или хранения.
В общем случае микросхему АЦП можно в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала.

Часто микросхема АЦП имеет так же входы для подачи тактового сигнала CLK, сигнала разрешения работы CS и выход для выдачи сигнала RDY, указывающего на готовность выходного цифрового кода. На микросхему подаётся одно или два питающих напряжения.
Опорное напряжение АЦП задаёт диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями.
Выходной цифровой код N (n — разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2n значений, то есть АЦП может различать уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдаётся сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N.
Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задаёт частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый генератор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.
Выпускается множество самых разнообразных микросхем АЦП, различающихся скоростью работы (частота преобразования от сотен килогерц до сотен мегагерц), разрядностью (от 6 до 24), допустим диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений, методами выдачи выходного кода (параллельный или последовательный), другими параметрами. Обычно микросхемы с большой количеством разрядов имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие микросхемы имеют небольшое число разрядов. В качестве базового элемента любого АЦП используется компаратор напряжения, который сравнивает два входных аналоговых напряжения и в зависимости от результата сравнения выдаёт выходной цифровой сигнал (0 или 1).
Существует два основных принципа построения АЦП: параллельный и последовательный.
Принцип преобразования параллельного типа заключается в одновремённом сравнении входного напряжения с n опорными напряжениями и определением, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит.
Схема 3-х разрядного параллельного так же представлено на рисунке:

Схема такого АЦП содержит резистивный делитель из резисторов, который делит опорное напряжение Uоп на (2n -1) уровней.
Входное напряжение Uвх сравнивается с помощью (2n -1) компараторов с уровнями (). Выходные сигналы компараторов (X1,X2....X7) с помощью кодирующего преобразователя преобразуется в n — разрядный (n = 3) двоичный код Z0 Z1 Z2.
Процесс преобразования происходит очень быстро, поэтому частота преобразования может достигать сотен МГц. Правда, они требуют применения большого количества компараторов, что вызывает технологические трудности при большом количестве разрядов (при n = 12 требуется 4095 компараторов).
Поэтому АЦП параллельного типа выпускают с числом разрядов n = 4...8
При необходимости иметь больше 8 разрядов применяют АЦП последовательного преобразования, недостатком которых являются малое быстродействие, что приводит к апертурной погрешности АЦП. Апертурная погрешность связана со скоростью изменения измеряемого сигнала (Uвх /dt). За время преобразования (tпр) в цифровой сигнал Uвх изменяется и возникает неопределённость, какое мгновенное значение Uвх (t) преобразовано в код. Для уменьшения апертурной погрешности перед АЦП последовательного преобразования устанавливается схема выборки и хранения.

Устройство выборки и хранения (УВХ)

Где ƒт — тактовые импульсы выборок. Буферы DА1 и DА2 имеют Rвх → ∞ и Rвых → 0. Ключ S1 переключается с такой частотой ƒт . Буфер DA1 благодаря малому Rвых позволяет конденсатору С1 зарядиться до мгновенного значения входного напряжения в каждом импульсе выборки (режим выборки). В интервале между импульсами выборок ключ S1 разомкнут и заряд удерживается на конденсаторе вследствие большого Rвх буфера DА2. (режим хранения) В течении времени хранения АЦП осуществляет преобразование выбранного мгновенного значения в код. Частота ƒт взятия выборок (отчётов) мгновенных значений должна удовлетворять неравенству: ƒт ≥ 2ƒmax, где ƒmax — наибольшая частота спектра аналогового сигнала Uвх.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП или DAC)

ЦАП преобразует цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы. В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока, имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

На цифровые входы ЦАП подаётся n — разрядный код N, на аналоговый выход — опорное напряжение Uоп (другое распространенное обозначение — Uref ). Выходным сигналом является напряжение Uвых (другое обозначение — Uo ) или ток Iвых (другое обозначение lo ). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорционально входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода и любое опорное напряжение.
Кроме информационных сигналов микросхемы ЦАП требуют также подключения одного или двух источников питания и общего провода.
В качестве примера рассмотрим схему реализации 4 — разрядного (n — 4) ЦАП.

Транзисторные ключи S1...S4 управляются цифровым кодом X3X2X1X0. Резисторы R0 /8, R0 /4, R0 /2, R0 высокоточные двоично взвешенные.
Преобразования цифрового кода в выходной аналоговый сигнал основано на представлении двоичного числа Х в виде суммы степеней числа 2: X=X3g23 +X2g22 +X1g21 +X0g20 , где Х3, X2, X1, X0 могут принимать значения 0 или 1.(0 — при разомкнутом ключе, 1 — при замкнутом ключе). Выходное напряжение ЦАП будет связано со входным кодом Х и опорным напряжением Uоп формулой:
Знак минус получается из — за инверсии сигнала ОУ.
Таким образом, при входном коде 0000 выходное напряжение Uвых = 0, а при входном коде 1111 оно будет ровно Uвых = - К (X=1g23 +1g22 +1g21 +1g20 ) = - К. 15. Значение К выбирают таким, чтобы Uвых ≤ Uоп .

Сменяющиеся входные коды обусловливают сменяющееся напряжение на входе ЦАП:

От единицы в первом разряде (Хо = 1) на выходе появляются напряжения Uвых = ΔU (0001). При коде 1111 напряжение на выходе ЦАП равно:
Uвых = 1 (8 . ΔU) + 1(4 . ΔU) + 1(2 . ΔU) + 1 . ΔU = 15 . ΔU. Таким образом, выходной сигнал ЦАП состоит из ступенек, высота которых кратна Uвых /2n , а модуль Uвых пропорционален числу, двоичных код которого определяется состоянием ключей S1.... S4. Токи ключей суммируются в точке А, причём токи различных ключей различны (имеют разный вес: 23 , 22 , 21 , 20 ,).

Параметры АЦП и ЦАП

К основным параметрам АЦП и ЦАП следует отнести максимальное напряжение Umax (входное для АЦП и выходное для ЦАП), число разрядов кода n, разрешающую способность и погрешность преобразования.
Разрешающая способность ЦАП — выходное напряжение, соответствующее единице в младшем разряде входного кода: Δ=Umax /(2n -1), где 2n -1 — максимальный вес входного кода.
Так например, при Umax = 10 B n = 12, Δ =10/(212 -1) = 2,45 мВ. Чем больше n, тем меньше Δ и тем точнее выходным напряжением может быть представлен входной код. Относительное значение разрешающей способности δ= Δ/Umax = 1/2n-1
Ток же параметр АЦП определяется приведёнными выше выражениями и представляет собой входное напряжение, соответствующее приращению выходного кода на единицу в младшем разряде. В данном случае Δ - наименьшая различимая ступенька входного сигнала. Сигнал меньшего уровня АЦП не зарегистрирует. В соответствии с этим разрешающую способность отождествляют с чувствительностью АЦП.
Погрешность преобразования имеет статическую и динамическую составляющие. Статическая составляющая включает в себя методическую погрешность квантования (дискретности) и инструментальную погрешность от неидеальности элементов преобразователей. Погрешность квантования Δк обусловлена самим принципом представления непрерывного сигнала квантованными уровнями, отстоящими друг от друга на выбранный интервал. Ширина этого интервала и есть разрешающая способность преобразователя. Наибольшая погрешность квантования составляет половину разрешающей способности, а в общем случае: Δк = ± 0,5 Δ = ± 0,5 Umax /(2n -1); δк = ± 0,5 (1/(2n -1))
Инструментальная погрешность не должна превышать погрешность квантования. При этом полная абсолютная и относительная статические погрешности: Δст = ±Umax /(2n -1), δст = ± (1/(2n -1)),что соответствует разрешающей способности преобразователя.
Динамическая составляющая погрешности связана с быстродействием преобразователя (с временем преобразования tпр) и скоростью изменения входного сигнала (V). Чем меньше tпр и V тем меньше эта составляющая. Выбор ЦАП может, в частности, производится по значению tпр: за время tпр код на входе не должен, например, изменятся более чем на единицу в младшем разряде. Для АЦП период Топ, с которым осуществляется опрос входного напряжения (подключение к нему АЦП), следует выбирать больше tпр: Топ > tпр, т. е. между скоростью преобразования 1/ tпр и частотой опроса (ƒоп = 1/T) должно соблюдаться соотношение (1/ tпр) >ƒоп. С другой стороны, по теореме Котельникова, ƒоп связана с наивысшей частотой ƒmax в спектре непрерывного входного сигнала неравенством ƒоп ≥ 2 ƒmax. Поэтому АЦП должен обладать скоростью преобразования (1/ ƒпр) ≥ 2 ƒmax. При большом tпр нужно будет увеличивать период опроса, чтобы избежать больших динамических искажений. Для их уменьшения обычно выбирают АЦП с таким временем преобразования tпр, за которое входной сигнал изменяется не более чем на разрешающую способность Δ = Umax/(2n - 1).

Импульсными называют информационные и энергетические электронные устройства, основанные на работе переключающих элементов и управлении моментами включения и выключения этих элементов. В зависимости от закона управления различают системы с амплитудной, частотной, широтной и фазовой модуляцией. Первые электронно-ионные регуляторы, основанные на фазоимпульсном методе регулирования, были разработаны в СССР в 1937-1941 гг. Л.С. Гольдфарбом и Г.Р. Герценбергом. Они содержали все узлы, характерные и для современных систем импульсного регулирования: измеритель регулируемой величины, компаратор, усилитель рассогласования, импульсный модулятор и усилитель мощности для энергетического воздействия на объект управления.

Импульсные энергетические преобразовательные устройства, основанные на работе управляемых силовых вентилей и полупроводниковых ключевых элементов в замкнутых системах импульсного регулирования, являются основой быстро развивающегося направления силовой (энергетической) электроники.

Информационные импульсные устройства основаны на преобразовании информации с использованием одного из видов импульсной модуляции, дискретизации данных и изменении числа координат. Наиболее распространенные виды преобразования информации импульсными устройствами: развертка (сканирование), частотно- и широтно-импульсная модуляция, измерение временных характеристик сигнала (моментов перепада, периода, частоты).

Впервые идея сканирования как последовательного просмотра точек плоского объекта была запатентована в Германии в 1884 г. Паулем Нипковым. Диск П. Нипкова был основой первого телевизора с механической разверткой. Благодаря развертке плоский двумерный образ преобразовывался в одномерный сигнал яркости.

На принципе развертывания основано осциллографирование процессов, изменяющихся во времени. Привычная всем картина изменения сигнала в функции времени на экране электронно-лучевой трубки может быть получена при условии равномерного движения изображающего элемента (электронного луча, светящейся точки) по одной координате и отклонения этого элемента по другой координате на значение, пропорциональное сигналу. Идея развертки для наблюдения процессов была выдвинута Л.И. Мандель-штаммом в России в 1907 г., применение электронно-лучевой трубки с этой целью предложено в России Б.Л. Розингом в том же году. Эта фундаментальная идея дала множество выдающихся технических решений.

Применение развертывающего преобразования можно пояснить несколькими примерами из арсенала средств промышленной электроники.

Определение местонахождения поврежденного участка основано на использовании отраженного эхосигнала и точном измерении времени между посланным зондирующим импульсом и принятым отраженным.

К этому классу приборов относятся искатели повреждений в линиях электропередачи. Искатель повреждений генерирует зондирующий импульс напряжения, который распространяется в линии, порождая отражения от различных неоднородностей. Измеряя время между зондирующим и отраженным импульсами, можно определять местонахождение аварийного участка.

К этому же классу приборов относятся импульсные ультразвуковые дефектоскопы. Источником зондирующих сигналов в них служит пье-зопреобразователь, дающий акустический импульс; он же используется и для обратного преобразования отраженного акустического сигнала в электрический.

Точное измерение времени между зондирующим и отраженным импульсами производится одним из двух способов: измерением расстояния между импульсами на экране электронно-лучевой трубки или подсчетом числа меток времени, генерируемых с эталонной частотой. Второй из этих методов оказался более предпочтительным и получил широкое распространение и развитие.

Время -- наиболее удобная физическая величина для эталонирования и прецизионного измерения. Кварцевые генераторы давно и прочно вошедшие в практику радиотехнических систем, продолжают до наших дней сохранять свое место и значимость, как простые и сравнительно дешевые эталоны частоты или интервалов времени с точностью порядка 10 -6 --10 -7 .

Приборы для ультразвуковой дефектоскопии и искатели повреждений широко распространены в энергетике, машиностроении, железнодорожном транспорте. Они не требуют мощных установок высокого напряжения, как рентгеновские промышленные аппараты, экологически безопасны в отличие от радиоизотопных дефектоскопов. При частоте ультразвуковых колебаний 2--4 МГц удается обнаруживать неоднородности в материале площадью до 1 мм 2 . В Советском Союзе промышленное производство дефектоскопов ведется с 50-х годов.

Промышленное применение развертывающего преобразования связано с измерением ширины листа прокатываемого металла. При большой скорости движения полосы горячего металла в условиях вибрации единственным способом измерения могло быть бесконтактное оптическое сканирование. Измеритель проката был разработан в лаборатории автоматики Института черной металлургии (Г.Х. Зарезанко). Два сканирующих измерительных устройства определяли координаты обеих кромок листа, разность координат в 1960 г. с помощью показывающих и регистрирующих приборов позволяли быстро измерить и зафиксировать ширину ленты проката. Создателю установки пришлось решить проблему оптических помех, точного и воспроизводимого измерения положения фронта импульсов при сравнительно низкой крутизне.

Развертывающее преобразование в промышленных устройствах было реализовано с помощью специально разработанного для таких устройств прибора -- диссектора. Сравнительно низкая чувствительность компенсировалась большой яркостью источника света. Быстродействие диссектора оказалось существенно выше, чем у передающих телевизионных трубок с накоплением заряда.

Естественным следующим шагом на пути развития развертывающих и сканирующих устройств стали установки промышленного телевидения. Их основные функции -- наблюдение за процессами в условиях, когда непосредственное нахождение оператора вблизи объекта невозможно, нежелательно или сопряжено с опасностью .

На развитие импульсной техники решающее влияние оказало развитие радиолокации. Это направление способствовало, во-первых, формированию импульсов высокой энергии. Повышение мощности излучаемого импульса при разумных ограничениях на среднюю энергию установки стало возможным лишь благодаря импульсному характеру работы при отношении периода к длительности импульса порядка 1000. Во-вторых, разрешающая способность импульсного устройства во времени могла быть повышена только за счет увеличения крутизны фронтов используемых сигналов. Как и во многих других направлениях, промышленное использование импульсной техники стало вторичным результатом их применения в оборонных отраслях. Благодаря импульсному характеру сигнала удавалось получать импульсы высоких энергий от относительно маломощных устройств. Этому способствовало свойство электронных ламп с оксидными катодами давать огромные по сравнению со средними токи импульсной эмиссии. Электронная лампа со средним током в десятки миллиампер могла длительное время эксплуатироваться с импульсными токами в несколько ампер.

В отличие от радиолокационных систем технические средства промышленной электроники заняли полный диапазон возможностей и способов импульсной модуляции. Регулирование среднего и действующего напряжений осуществлялось путем изменения коэффициента заполнения при широтно-импульсном регулировании. Исторически первой была освоена разновидность импульсного регулирования, при которой синхронное с сетью отпирание вентиля осуществлялось с запаздыванием по отношению к моменту естественной коммутации. Широтно-импульсное регулирование постоянного напряжения получило распространение в высокоэкономичных импульсных стабилизаторах постоянного напряжения. Это стимулировало развитие и инженерное приложение теории замкнутых импульсных систем.

Анализу импульсных систем в 60-е годы посвящены фундаментальные работы Я.З. Цыпкина . В промышленной электронике для решения задач регулирования мощности импульсная техника стала главным инструментом воздействия. Классические методы управления преобразователями, основанные на использовании угла запаздывания отпирания управляемых вентилей, вначале базировались на сдвиге фазы управляющего сеточного напряжения ртутных преобразователей (так называемый горизонтальный метод). Следующим и гораздо более перспективным стал вертикальный метод. Сущность его состояла в фиксации момента сравнения развертывающего (гармонического или пилообразного) сигнала с управляющим. Вертикальный метод фазосмещения стал основным инструментом широтно-импульсного, фазоим-пульсного и (в соответствующем исполнении) частотно-импульсного регулирования.

Многоканальная система импульсно-фазового управления преобразователями служит для управления многофазными преобразователями. Система содержит несколько (по числу фаз) источников опорного напряжения, синхронных с напряжениями питания соответствующих фаз. Напряжения опорных источников сравниваются с помощью компараторов с единственным для всех фаз управляющим сигналом. Задержка срабатывания каждого компаратора дает запаздывание момента отпирания вентиля в соответствующей фазе. Форма опорного напряжения (косинусоидальная или пилообразная) дает разные регулировочные характеристики.

Для успешной реализации вертикального способа фазосмещения необходимо было решить вспомогательные задачи формирования опорного напряжения, сравнивания двух сигналов, формирования управляющего импульса определенной амплитуды и длительности в момент равенства двух сигналов. Для выполнения этих задач были разработаны специальные импульсные схемы: в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем было предложено катодное реле; в 1919 г. американцы X. Абрагам и Е. Блох изобрели мультивибратор; в 1919 г. американцы В. Иклс и Ф. Джордан изобрели схему, без которой трудно представить себе современную компьютерную цивилизацию, -- триггер. Были сделаны сотни изобретений различного рода формирователей импульсов, генераторов линейно изменяющихся напряжений и токов, блокинг-генераторов (мощных импульсных схем с глубокой положительной обратной связью).

Анализ схем с обратными связями, возникновение колебаний в нелинейных системах, решение задач об устойчивости таких схем стали предметом работ А.А. Андронова, А.А. Витта, С.Э. Хайкина(1959 г.) .

ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНИКА, область радиотехники и электроники, охватывающая разработку и использование методов и средств генерирования, преобразования и усиления электрических импульсов, их измерения и индикации, а также исследование импульсных процессов в электрических цепях. Наиболее широко электрические импульсы - как одиночные, так и последовательности (серии) импульсов, образующих импульсные сигналы, - используются в системах автоматики, телемеханики и вычислительной техники, радиосвязи и радиолокации, телевидения и измерительной техники.

Импульсные сигналы, несущие информацию или управляющие работой электронных устройств, различаются по амплитуде, длительности и частоте следования импульсов, а также их взаимному расположению в серии. Большое значение в импульсной технике имеет скважность - отношение периода повторения импульсов одной серии к их длительности. Скважность, например, определяет отношение пиковой мощности импульсных сигналов к их средней мощности, что для многих импульсных устройств является важнейшим показателем работы.

Длительность импульсов в зависимости от области применения может изменяться в значительных пределах. В автоматике, например, оперируют с импульсами длительностью порядка 0,01-1 с, в импульсной радиосвязи - 10 -4 -10 -6 с, в вычислительной технике - до 10 -9 с. Часто даже в одной области техники применяют импульсы с различной длительностью и частотой следования. При воздействии импульсов тока или напряжения на электрическую цепь, обладающую свойством запасать энергию, возникают переходные процессы, значение которых в импульсной технике весьма велико. Явления, связанные с переходными процессами, часто используют в работе импульсных устройств, но в ряде случаев они оказывают вредное влияние и приводят к схемному и конструктивному усложнению аппаратуры. Специфичность методов и средств формирования, преобразования, измерения и регистрации импульсных сигналов и анализа процессов в импульсных устройствах обусловлены главным образом их нестационарностью.

Для импульсных сигналов характерна высокая концентрация энергии в небольших временных интервалах; например, мощность в радиоимпульсе, излучаемом радиолокационным передатчиком, достигает десятков МВт и более, что в несколько тысяч раз выше мощности, усреднённой за время передачи всей последовательности импульсов. Такая концентрация энергии позволяет решать многие задачи при передаче электрических сигналов, когда отклик на выходе системы пропорционален мощности сигнала на её входе. Мощные кратковременные электромагнитные импульсы широко применяются в физических исследованиях свойств материи, сопровождают природные явления. Воздействия электромагнитных импульсов приводят к нарушениям работы в первую очередь систем энергоснабжения, к помехам, перебоям в работе радиотехнических служб (связи, вещания, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и др.), радиоэлектронной аппаратуры.

Первые импульсные системы - искровые радиопередатчики для телеграфных и речевых сигналов - созданы А. С. Поповым в 1895 и 1903 годах соответственно. Бурное развитие импульсной техники с начала 1930-х годов связано, прежде всего, с зарождением и совершенствованием радиолокации и телевидения. В 1930-40-х годах были заложены основы формирования импульсов практически любой формы с помощью усилительных элементов - радиоламп, а также пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности; в 1950-х годах на смену радиолампам пришли транзисторы, позднее интегральные аналоговые микросхемы, всё шире стали применяться цифровые методы. В конце 20 века формирование импульсов аппаратным методом заменяется формированием вычислительными (программными) методами, позволяющими синтезировать импульсы заданной формы с необходимыми параметрами.

С. Л. Мишенков.

Импульсные устройства предназначены для генерирования, формирования, усиления, передачи, преобразования и измерения электрической импульсов. К ним относятся импульсные генераторы, импульсные трансформаторы, триггеры, мультивибраторы, счётчики импульсов и др. Импульсные устройства подвергаются прерывистому воздействию электрических сигналов, различающихся по форме, амплитуде и длительности, частоте следования, а также по расположению их в серии согласно избранному виду импульсной модуляции и некоторому условному коду. В импульсных устройствах используются одиночные импульсы и последовательности (серии) импульсов. В радиолокаторах, системах радионавигации, радиосвязи и т. п. импульсные сигналы имеют частотное заполнение от десятков Гц до десятков ГГц. С помощью импульсных устройств можно весьма точно фиксировать время воздействия импульсных сигналов, изготовлять бесконтактные электронные ключи. В логических схемах на импульсных устройствах используется чёткое разделение двух возможных состояний электронной схемы: «есть напряжение» - «нет напряжения» («да» - «нет»). Для выполнения логических операций разной сложности служат, например, дифференцирующие цепи и интегрирующие цепи, формирующие линии, импульсные трансформаторы и усилители, линии задержки, ограничители, фиксаторы уровня, пересчётные схемы, триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы, импульсные делители частоты, селекторы импульсов, кодирующие устройства (и декодирующие), дешифраторы, матрицы, элементы памяти ЭВМ и др. С помощью соответствующих преобразований и логических операций над импульсными сигналами выделяют, анализируют, распознают и регистрируют полезную информацию, содержащуюся в обрабатываемых импульсах. Импульсные устройства широко применяются в радиоизмерительных приборах (частотомерах, осциллографах, анализаторах спектра, измерителях временных интервалов и др.).

Лит.: Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И. Импульсные цифровые устройства. М., 1972; Ерофеев Ю. Н. Импульсные устройства. 3-е изд. М., 1989, Зельдин Е. А. Импульсные устройства на микросхемах. М., 1991; Фролкин В. Т., Попов Л. Н. Импульсные и цифровые устройства. М., 1992; Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства. 8-е изд. М., 2006.

Импульсные устройства

(конспект лекций)

Введение

Импульсные устройства представляют собой класс электронных устройств, оперирующих с колебаниями (сигналами) импульсного вида, т.е. действующими на ограниченном интервале времени и, возможно, повторяющимися периодически или через произвольные отрезки времени.

Импульсные устройства возникли практически одновременно с появлением других технических устройств, использующих существующие тогда электронные приборы - электронные лампы. Наиболее интенсивное развитие импульсных устройств в начале 40-х годов было связано с важной прикладной задачей – созданием импульсных РЛС. Импульсные устройства в РЛС используются и в настоящее время, при этом по-прежнему используются электронные приборы СВЧ: магнетроны, ЛБВ и др. вследствие необходимости получения мощности в единицы и десятки мегаватт, что определяет требования к рабочиим напряжениям в сотни вольт и недоступно полупроводниковой технологии.

Тем не менее, развитие микроэлектронной технологии компьютеров не исчерпывает применения импульсной техники, которая широко используется при решении разнообразных практических задач в специализированных цифровых устройствах, в том числе в устройствах управления станками, механизмами, устройствами сильноточной электротехники, бытовой технике и т.п. Знание принципов и методов конструирования импульсных устройств отличают специалиста в этой области от пользователя персонального компьютера при любом уровне программного обеспечения.

Цифровые устройства используют представление анализируемых данных в цифровом коде, в подавляющем количестве случаев – двоичном. Цифровой код не является импульсным сигналом, он просто представляет набор несовместимых символов, в качестве которых обычно используются дискретные символы «0» и «1». В электронном устройстве эти символы сопоставляют с наличием или отсутствием аналоговой величины - напряжения (тока). В условиях неизбежного существования помех степень помехоустойчивости кода определяется различием напряжений на электронных элементах в состоянии «0» и «1». При передаче кодовой последовательности эти состояния сменяют друг друга, что и образует импульсный сигнал. Это определяет роль импульсных устройств как базового схемотехнического принципа построения цифровых устройств.

С течением времени некоторые схемотехнические решения традиционной импульсной техники утратили своё значение, но базовые принципы сохраняются в современных микроэлектронных схемах различного уровня интеграции, используемых разработчиками разнообразных электронных устройств. Поэтому знание основ построения и правил использования импульсных устройств составляют необходимую часть подготовки специалистов в области цифровой схемотехники, что определяет целесообразность выделения раздела «Импульсные устройства» как предварительного в дисциплине «Цифровые устройства».

Тема1. Основные понятия и определения импульсной техники

Основной вид используемого в импульсных устройствах электрического колебания (сигнала) называется импульсом. В англоязычной литературе используются два термина Impulse и Pulse. Первый относится к одиночному финитному сигналу, имеющему выбранные по некоторому правилу точки начала и конца на оси времени (рис.1.1). Второй термин обычно относится к повторяющимся с некоторой частотой импульсным сигналам, создаваемым некоторым генератором импульсов (Pulser).

Одиночный импульсный сигнал на практике имеет достаточно сложную форму, как на рис.1.1, определённую действием многочисленных факторов, возникающих при построении схемы и при её эксплуатации. В задачах измерения требуется использование выбранных числовых параметров, существенных для решаемой прикладной задачи. Сигнал на рис.1.1 в целом близок к прямоугольной форме. Для характеристики отклонения реального сигнала от прямоугольной функции используют различные числовые параметры.

В книге описаны импульсные и цифровые сигналы, элементная база импульсных и цифровых устройств, формирователи, усилители и генераторы импульсов, триггеры, цифровые функциональные узлы и устройства.
Для студентов электрорадиоприборостроительных средних профессиональных учебных заведений.

Структура импульсных сигналов.
Для сокращения написания сигналы импульсных устройств будем называть импульсными. Случаи, когда это может привести к смещению понятий, будут отмечены особо.

Ранее подчеркивалось, что информация запечатлевается в изменениях электрического колебания. Импульсная последовательность становится сигналом, когда в соответствии с передаваемой информацией изменяются ее параметры: амплитуда импульсов, их длительность или фаза. В частном случае информация может выражаться появлением импульса, изменением его длительности или временного положения относительно опорного импульса.

Различают амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ) и фазоимпульсную (ФИМ) модуляции. При каждом виде модуляции один из параметров импульсной последовательности принимает значение, пропорциональное величине непрерывного модулирующего сигнала в момент присутствия импульса.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Глава 1. Сигналы импульсных и цифровых устройств
§ 1.1. Общие сведения
§ 1.2. Сигналы импульсных устройств
§ 1.3. Сигналы цифровых устройств
Глава 2. Импульсные усилители и ключи
§ 2.1. Общие сведения
§ 2.2. Статический режим транзисторного усилителя
§ 2.3. Некоррелированный транзисторный усилитель
§ 2.4. Корректированный транзисторный усилитель
§ 2.5. Эмиттерный повторитель
§ 2.6. Интегральные усилители
§ 2.7. Транзисторные ключи
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 3. Элементная база импульсных и цифровых устройств
§ 3.1. Общие сведения
§ 3.2. Операционные усилители
§ 3.3. Аналоговые компараторы
§ 3.4. Простейшие логические элементы ИЛИ, И, НЕ
§ 3.5. Логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ
§ 3.6. Параметры логических элементов
§ 3.7. Реализация логических функций в разных базисах
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 4. Формирователи импульсов
§ 4.1. Общие сведения
§ 4.2. Дифференцирующие цепи
§ 4.3. Интегрирующие цепи
§ 4.4. Интеграторы и дифференциаторы на микросхемах операционных усилителей
§ 4.5. Диодные ограничители амплитуды
§ 4.6. Транзисторный усилитель-ограничитель
§ 4.7. Ограничители на микросхемах операционных усилителей
§ 4.8. Формирователь импульсов с контуром ударного возбуждения
§ 4.9. Формирующие линии
§ 4.10. Формирователи импульсов на логических элементах
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 5. Генераторы прямоугольных импульсов
§ 5.1. Общие сведения
§ 5.1. Транзисторные мультивибраторы
§ 5.3. Интегральные мультивибраторы
§ 5.4. Мультивибраторы на логических элементах
§ 5.5. Мультивибраторы на микросхемах операционных усилителей
§ 5.6. Транзисторные блокинг-генераторы
§ 5.7. Блокинг-генераторы на интегральных микросхемах
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 6. Генераторы пилообразных импульсов
§ 6.1. Общие сведения
§ 6.2. Генераторы линейно изменяющегося напряжения
§ 6.3. Генераторы линейно изменяющегося тока
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 7. Триггеры
§ 7.1. Общие сведения
§ 7.2. Транзисторные триггеры
§ 7.3. Интегральные триггеры
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 8. Функциональные узлы цифровых и импульсных устройств
§ 8.1. Общие сведения
§ 8.2. Счетчики
§ 8.3. Регистры
§ 8.4. Дешифраторы и шифраторы
§ 8.5. Коммутаторы
§ 8.6. Цифровой компаратор
§ 8.7. Сумматоры
§ 8.8. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи
§ 8.9. Полупроводниковые запоминающие устройства
§ 8.10. Программируемая логическая матрица
§ 8.11. Таймеры
Контрольные вопросы и упражнения
Глава 9. Цифровые и импульсные устройства
§ 9.1. Общие сведения
§ 9.2. Преобразователи кодов
§ 9.3. Цифровая индикация
§ 9.4. Электронные часы
§ 9.5. Цифровой вольтметр
§ 9.6. Устройство сбора и отображения информации
§ 9.7. Электронный кодовый замок
§ 9.8. Устройство для умножения кодов
§ 9.9. Формирователь пачек импульсов
§ 9.10. Запоминающее устройство микропроцессорной системы
§ 9.11. Преобразователи напряжение - частота
§ 9.12. Символьный дисплей
§ 9.13. Селекторы импульсов
Заключение
Приложения
Литература.

Дата публикации: 24.02.2014 10:04 UTC

• Цифровая обработка в оптико-электронных системах, Часть 1, 2017
• Учебник младшего специалиста радиотехнических войск, Часть 1, Инце А.К., 1980
• Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий, Федоров А.А., Старкова Л.Е., 1987