Общие сведения об импульсных сигналах

ТЕМА 6. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Лекция 14. Элементы импульсных устройств

Общие сведения об импульсных сигналах

Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерывистое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.

Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом причин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информацию. Импульсный сигнал оказался единственно приемлемой формой при создании радиолокации, он необходим для работы систем синхронизации, удобен для управления многими производственными процессами.

Импульсы применяются и для передачи непрерывной информации. В этом случае передаваемая информация может содержаться в значениях амплитуды, длительности или временного положения импульсов. Наличие пауз между импульсами позволяет уменьшить мощность, потребляемую от источника питания. Кроме того, во время паузы можно передавать информацию от других корреспондентов.

Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной, пилообразной экспоненциальной и колоколообразной формы (рис.15.1). Импульсы характеризуются:

-амплитудной U_m;

-длительностью импульса t_u;

-длительностью паузы t_n;

-периодом повторения Т = t_u + t_n;

-частотой повторений F = 1/T;

-скважностью Q_u = T/t_u.

В реальных устройствах прямоугольные импульсы характеризуются также длительностью фронта t_Ф и среза t_С. Фронт и срез определяют в течение нарастания или спада напряжения от 0,1 U_m до 0,9 U_m.

Электронные ключи

Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами. Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 15.2. В ключевом режиме транзистор может находиться в одном из двух состояний - в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.

В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток I_{кэ о}. Напряжение на участке коллектор-эмиттер . Мощность теряемая в транзисторе Р_отс =I_{кэ о} × U_к мала, так как мал ток.

. (15.1)

Полагая U_б < 0, получим:

,

откуда

. (15.2)

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которого ограничивается резистором R_к. Пренебрегая малым напряжением насыщения, можем записать:

. (15.3)

Режим насыщения достигается при токе базы:

. (15.4)

Как и в режиме отсечки, мощность, теряемая в транзисторе в режиме насыщения, мала, потому что мало U_н.

Ток базы в режиме насыщения создают источники напряжения U_ВХ и Е_СМ. При этом участок база эмиттер транзистора можно считать закороченным. Поэтому

.

Условие насыщения (15.4) принимает вид

. (15.5)

Выражение (15.5) позволяет определить необходимое значение R ₁.

В настоящее время электронные ключи выпускаются в микросхемном исполнении. Например, микросхема К564КТ3 содержит четыре двунаправленных ключа, предназначена для коммутации аналоговых и цифровых сигналов с током до 10 мА.

Компараторы

Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений. Такие возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся еще раз к передаточной характеристике ОУ (рис. 15.3а). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность . Когда разность выходное напряжение ограничено значением ± U_{ВЫХ m}. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение U_{ВЫХ m} лишь немного меньше ЭДС питания E_n, поэтому на передаточной характеристике выделяют область положительного и отрицательного насыщения.

Для реальных ОУ значение U_ГР не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая . Тогда при выходное напряжение . Наоборот, при выходное напряжение . Другими словами можно сказать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит ОУ в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).

На рис. 15.3б приведены эпюры входных напряжений компаратора ( - синусоида, - постоянное) и выходного напряжения. Компаратор переключается в момент равенства . Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Длительность прямоугольных импульсов зависит от соотношения амплитудного значения синусоиды U_m и . Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в прямоугольное или для преобразования U₂ в длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 15.4а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 15.4б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ . Напряжение на прямом входе ОУ U_пр формируется двумя источниками – U₀ и . Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочка R₁ R₂ выполняет роль делителя:

Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения до тех пор, пока U_ВХ < U_пр. Значение U_пр выполняет роль порога срабатывания, поэтому его называют пороговым и обозначают .

Когда входное напряжение U_ВХ становится примерно равным напряжению настолько, что ОУ переходит в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение . По цепочке R₁ R₂ оно поступает прямо на прямой вход ОУ, уменьшая значение U_пр на величину:

.

ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его выходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное приращение . Последнее в свою очередь еще больше уменьшит U_пр. Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область отрицательного насыщения, когда . Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключение получило название регенеративного процесса.

Так как U_ВЫХ после переключения сменило свой знак, то изменилось и значение U_пр т. е. значение порога - .

.

Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда . Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса увеличивается с увеличением отношения .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: