Импульсные устройства. Импульсные устройства (ИУ)

Название	Импульсные устройства (ИУ)
Дата	13.04.2022
Размер	307.51 Kb.
Формат файла
Имя файла	Импульсные устройства.docx
Тип	Документы #471898

ВВЕДЕНИЕ

Импульсные устройства (ИУ) — это устройства, работающие в прерывистом (дискретном) режиме, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов. Импульсные устройства предназначены для формирования, преобразования и генерирования импульсных сигналов — импульсов. Под импульсом понимают кратковременное изменение напряжения в электрической цепи от нуля до некоторого постоянного уровня.

Различают видео– и радиоимпульсы. Видеоимпульс представляет собой кратковременное изменение напряжения (тока) в цепи постоянного тока, постоянная составляющая (среднее значение) которого отличается от нуля. Идеализированные видеоимпульсы имеют различную форму.

Различают видеоимпульсы положительной и отрицательной полярности, а также двусторонние (разнополярные).

Радиоимпульс — это кратковременный пакет высокочастотных колебаний напряжения или тока, огибающая которых имеет форму видеоимпульса.

Одиночный импульс и последовательность импульсов характеризуется следующими параметрами:

Амплитудой U_M(I_M), длительностью t_u ;
Длительностью переднего фронта t_ф;
Длительностью заднего фронта (среза) t_c;
Спадом вершины U_M;
Средним значением U_CP, I_CP, P_CP;
Мощностью в импульсе P_И;
Действующим значением U_ЭФ, I_ЭФ, P_ЭФ;
Длительностью паузы между импульсами ;
Периодом повторения Т;
Скважностью Q.

Амплитуда импульса. Максимальное напряжение (ток) импульса называется амплитудой. В маломощных импульсных устройствах обычно применяют импульсы напряжения с амплитудой от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт; в мощных импульсных устройствах – от десятков вольт до десятков киловольт. В таком же широком диапазоне изменяются амплитуды импульсов тока; в маломощных импульсных устройствах – от долей миллиампера до долей ампера; в мощных импульсных устройствах — от долей ампера до десятков тысяч ампер.

Широко применяемыми узлами электронной техники и систем обработки информации являются импульсные устройства, которые могут быть выполнены как на аналоговых, так и на цифровых микросхемах (МС). Они используются в аналоговых вычислительных машинах (АВМ), в блоках управления, ввода и вывода цифровых ЭВМ, в телеметрической, радионавигационной аппаратуре, в системах автоматического регулирования и управления.

Импульсные устройства (ИУ) предназначены для формирования и преобразования электрических сигналов, имеющих характер импульсов и перепадов напряжений (потенциалов) или тока, а также для управления информацией, предоставленной упомянутыми сигналами.

Применение импульсного способа передачи информации обусловлено рядом причин: большинство технологических процессов имеют дискретный (тактовый) характер (пуск, останов, срабатывание защиты), передача информации в виде импульсов позволяет снизить потребляемую мощность; повышается помехоустойчивость, точность и надежность электронных устройств, т.к. информация передается в виде кодового набора импульсов и существенным является только наличие или отсутствие импульса.

Настоящая работа направлена на изучение импульсных устройств.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

Импульсом — называется кратковременное изменение тока или напряжения до своего амплитудного значения, после которого следует пауза.

Импульсный режим работы имеет ряд преимуществ над непрерывным:

В импульсном режиме может быть достигнута значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней мощности устройства. В результате габариты и масса электронной аппаратуры при использовании импульсного режима могут быть значимо снижены;
Импульсный режим позволяет ослабить влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств, так как приборы в них работают, как правило, в ключевом режиме;
Импульсный режим позволяет значимо повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры. Пропускная способность — наибольшая возможная скорость передачи информации, а помехоустойчивость - способность аппаратуры правильно функционировать в условиях действиях помех. Сигналы импульсных устройств и представляются комбинацией стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше, чем непрерывных.
Для реализации импульсных устройств, требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов, легко выполняемых методами интегральной технологии. Это позволяет повысить надёжность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.

Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике.

Импульсы бывают различной формы, наиболее часто встречаются прямоугольные, трапециевидные, треугольные, экспоненциальные и другой формы.

Они также бывают положительной и отрицательной полярности.

Часто импульсы встречаются в виде серий или последовательности.

Серия как правило имеет конечное число импульсов. В последовательности число импульсов не ограниченно.

Последовательности бывают: периодические, квазипериодические, непериодические.

В периодических одинаковые импульсы повторяются через равные промежутки времени.

В квазипериодических через равные промежутки времени повторяются не все параметры импульсов (длительность, амплитуда).

Непериодическими называются такие последовательности которые не подчиняются закону периодичности. Они могут быть случайные либо детерминированные т.е. подчинятся какому ни будь математическому закону.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

Электронные импульсные и цифровые устройства объединяют технические средства информационной электроники с импульсным режимом работы, применяемые в системах управления технологическими процессами.

Типовая структура таких систем управления содержит три функциональных блока:

Средства измерения совокупности текущих аналоговых значений параметров технологического процесса (давление, температура, влажность), преобразованных в пропорциональные значения электрических величин (напряжение, ток) и далее — в пропорциональные значения цифровых кодов, обычно двоичной системы счисления;
Средства обработки совокупности цифровых кодов измеренных параметров (сравнения с значениями параметров эталонов или заданных оператором) и вычисление функции управления технологическим процессом в цифровых кодах, обычно двоичной системы счисления;
Средства преобразования значений цифровых кодов функции управления в пропорциональные значения параметров аналоговых электрических величин (напряжение, ток) воздействия на управляемый технологический процесс.

Соответственно различают электронные устройства преобразования информации (аналог — цифра, цифра — аналог) и ее цифровой обработки (вычисление функции управления).

Главным преимуществом цифровой обработки информации является малая зависимость значений цифровых кодов от дестабилизирующих факторов (дрейфа нуля усилителей) и, следовательно, высокая точность.

При этом широко используются нелинейный режим работы для операционных усилителей и ключевой — для транзисторов.

ПРИМЕРЫ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

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:

Рисунок 1 «Виды цифровых сигналов»
Элементами потенциального уровня на рисунке 1,а являются потенциалы уровней «u0» и «u1». Каждый уровень остаётся неизменным в течение тактового интервала. Потенциалу «u1» соответствует «1», потенциалу «u0» — «0». Элементами импульсивного сигнала на рисунке 1,б являются импульсы неизменной амплитуды и их отсутствие. Импульс представляет «1», а отсутствие импульса представляет «0». Обоим цифровым сигналам, изображённым на рисунке, соответствует двоичное число: «10011010». В природе практически все сигналы аналоговые, которые чувствительны к действию паразитных сигналов — шумов, наводок, помех. В отличии от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешённых уровня, защищены от действий паразитных сигналов гораздо лучше. Для преобразования аналоговых сигналов в цифровые применяются специальные схемы, например АЦП.

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

Рисунок 2 «Устройство аналогового компаратора (а), график изменения напряжения (б)»
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.

Рисунок 3 «Устройство аналогового компаратора»
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.

Рисунок 4 «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.

Компараторы описывается многими из тех параметров, которые характерны для ОУ (коэффициентом усиления, входным сопротивлением, коэффициентом ослабления синфазного сигнала, напряжение смещения нуля, значением входных токов).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.

Рисунок 5 «Симметричный мультивибратор в режиме автоколебаний»
Мультивибратором называется устройство с двумя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой генератор импульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска в работу других импульсных устройств при их совместной синхронной работе.

Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы.

У симметричных мультивибраторов длительности прямоугольных импульсов напряжения и интервалы времени между ними равны, у несимметричных они различны.

Одновибратором называется устройство с одним устойчивым и одним временно устойчивым состояниями, предназначенное для формирования на своем выходе однократного прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе импульса напряжения от внешнего источника.

Одновибраторы применяются для стандартизации импульсов напряжения по длительности, управления электромагнитными реле, задержки импульсов напряжения и деления частоты их повторения. 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.

Рисунок 6 «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.

Рисунок 7 «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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе были рассмотрены импульсные устройства, общая характеристика этих устройств, их классификация и примеры импульсных устройств.

Импульсные устройства (ИУ) — это устройства, работающие в прерывистом (дискретном) режиме, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов. Импульсные устройства предназначены для формирования, преобразования и генерирования импульсных сигналов — импульсов. Под импульсом понимают кратковременное изменение напряжения в электрической цепи от нуля до некоторого постоянного уровня.

Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике. Импульсные устройства предназначены для формирования и преобразования электрических сигналов, имеющих характер импульсов и перепадов напряжений (потенциалов) или тока, а также для управления информацией, предоставленной упомянутыми сигналами.

Соответственно различают электронные устройства преобразования информации (аналог — цифра, цифра — аналог) и ее цифровой обработки (вычисление функции управления).

Главным преимуществом цифровой обработки информации является малая зависимость значений цифровых кодов от дестабилизирующих факторов (дрейфа нуля усилителей) и, следовательно, высокая точность.

При этом широко используются нелинейный режим работы для операционных усилителей и ключевой — для транзисторов.

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта.

Мультивибратором называется устройство с двумя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой генератор импульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска в работу других импульсных устройств при их совместной синхронной работе.

Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы.

У симметричных мультивибраторов длительности прямоугольных импульсов напряжения и интервалы времени между ними равны, у несимметричных они различны.

Одновибратором называется устройство с одним устойчивым и одним временно устойчивым состояниями, предназначенное для формирования на своем выходе однократного прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе импульса напряжения от внешнего источника.

Одновибраторы применяются для стандартизации импульсов напряжения по длительности, управления электромагнитными реле, задержки импульсов напряжения и деления частоты их повторения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Электротехника: Учеб. для профобразования/ А.Я. Шихин, Н.М. Белоусова, Ю.Х. Пухляков и др.; Под ред. А.Я. Шихина. — 3-е изд., стер. — М.: Высш. шк.; Издательский центр «Академия»; 1998. — 336 с.: ил.;
Электротехника и электрооборудование в 3 ч. Часть 1: учебное пособие для среднего профессионального образования / И.И. Алиев. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 374 с. — (Профессиональное образование). — Текст : непосредственный;
Электроника и микропроцессорная техника : учебник / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. — 6-е изд., стер. — Москва : КНОРУС, 2020. — 798 с. — (Бакалавриат);
Долженко О. В., Королев Г. В. Сборник задач, вопросов и упражнений по радиоэлектронике: [ Текст]/ — М., «Высшая школа», 1986. — 103 с.;
Моисеев А. С. Радиоэлектроника: [ Текст]/ — М.: 1991. — 110с.;
Иноземцев А. В. Современная радиотехника: [ Текст]/ — М.: Россия, 2003. — 154с.;
Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. — М.: Радио и связь, 1987. — 160 c.;
Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1980. — 424 c.;
Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. — М.: Высш. школа, 1982. — 496 с.;
Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.