Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

Импульсные сигналы. Параметры, спектры.

 

В настоящее время электроника является исключительно важным средством при решении самых различных задач по сбору, обработки и передачи информации. Трудно найти отрасль науки и техники, развитие которой не было бы тесно связано с применением электронных компонентов. В связи с этим все более широкому кругу специалистов становится необходимыми знание электроники.

В первой части курса ЭМСТ вы изучили так называемую аналоговую электронику, предназначенную для работы с сигналами, изменяющимися по закону непрерывной функции. Предметом второй части курса будет импульсная и цифровая электроника.

Значение цифровой электроники трудно переоценить – наблюдается процесс постепенного вытеснения аналоговой электроники. В производстве электронных компонентов львиную долю занимают цифровые микросхемы, и многие фирмы заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем эта тенденция наблюдается как в бытовой, так и в профессиональной технике. Ведущая роль импульсной электроники обусловлена следующими факторами:

  1. Импульсный режим позволяет реализовать распределение полезного сигнала во времени, благодаря чему он используется в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении различного рода устройствами, в измерительной технике при научных экспериментах. Кроме того, сокращается время воздействия помех на устройство, и следовательно возрастает его помехоустойчивость.
  2. Используя импульсный режим можно осуществить огромную концентрацию энергии во времени. Импульсная мощность может в сотни раз превышать среднюю мощность, что приводит к существенному облегчению режимов работы радиокомпонентов. Благодаря этому появилась возможность создавать большие плотности энергии (звуковой, световой, магнитной, электрической и т.д.) различных средах.
  3. Наконец, в основе работы всех современных компьютеров лежит импульсный режим. (Мы не будем принимать в расчет исследовательские работы по аналоговым компьютерам).

 

Электрическим импульсом называется кратковременное отклонение тока или напряжения от исходного уровня. Графически импульсы изображаются на временных диаграммах – зависимости величины тока или напряжения от времени.

Импульсные сигналы бывают двух видов: видеоимпульс и радиоимпульс.

Различаются они отсутствием или наличием высокочастотного заполнения.

На рис 1а и 1б приведены различные виды радио- и видеоимпульсов.

На рис.1б представлены однополярные импульсы – напряжение изменяется только в одну сторону. Бывают импульсы двуполярные – их пример приведен на рис.1в.

На практике редко встречаются одиночные импульсы. Как правило, применяются несколько импульсов следующие один за другим – последовательности импульсов. Последовательности импульсов бывают периодические, квазипериодические и непериодические:

Последовательность импульсов периодическая, если каждый последующий импульс отстоит от предыдущего на одно и тоже значение - их пример приведен на рис.2а.

Последовательность называется квазипериодической, если выполняется условие периодичности для одного или нескольких параметров – рис.2б.

Последовательность называется непериодической, если не выполняется условие периодичности ни для одного параметра – рис.2в.

Для описания импульсов применяют различного рода параметры:

  1. Основные.
  2. Производные.

3. Дополнительные.

Основные. Амплитуда импульсов Um, длительность импульса tи, период следования Т.

См.рис.2а.

Производные. Производные параметры можно получить из основных – частота F=1/T [Гц], скважность импульсов – q=T/tи показывает сколько импульсов умещается в 1 периоде, например, для меандра q=2(меандр –такой вид последовательности импульсов у которой длительность равна паузе). См.рис.2а. коэффициент заполнения kз =tи/T – величина обратная скважности.

Дополнительные. К дополнительным параметрам прибегают для описания импульсов непрямоугольной формы:

А – высота (амплитуда) импульса, DА – спад вершины импульса, kсп = DА/А – коэффициент спада, tи0 – длительность импульса, tф0 – длительность фронта импульса, tс0 – длительность среза импульса, tи – активная длительность импульса, измеренная на уровне 0,5Um. При не столь явном переходе от переднего фронта к вершине вводят активные длительности фронта и среза – tф и tс. Их измеряют, как показано на рис.3б.

Для описания пилообразного импульса используют следующие параметры (рис.3в):

t п.х .- время прямого хода, tо.х. – время обратного хода, скорость нарастания импульса – VUп.х.=Um/ tп.х., коэффициент нелинейности kн=1-tgj0/tgj1

Для математического описания импульсов непрямоугольной формы наиболее часто прибегают к экспоненциальной функции. Его форма описывается разностью двух экспонент:

u(t) = A(e-b1t - e-b2t). Постоянные времени 1/b2 и 1/b1 описывают восходящую и падающую части импульса. Определим активные длительности tи и tф импульса. Опуская промежуточные вычисления, получим: tи =(2/g+0,78)/j1 tф = 0,55ln(g/(g-1)), где g=b2/b1.

Особую роль в технике приема импульсных сигналов играет колокольный импульс. При такой форме наиболее удачно сочетаются требования сосредоточения энергии импульса как во времени, так и в спектре. Его форма определяется функцией u(t) =

Легко найти для такой формы активные длительности tи и tф импульса. tи =1,66/b, tи =0,72tи .

Представление импульсов во временной области позволяет определять его параметры, энергию, мощность, но не является единственно возможной. Нередко уделяется большое внимание частотным свойствам сигналов. Для этого используется представление сигналов в частотной области в виде спектра, получаемого на основе математического аппарата преобразования Фурье. Знание частотных свойств позволяет решать задачи идентификации сигнала, его фильтрации и т.д. Одним из важнейших частотных характеристик сигнала является ширина его спектра.

Найдем частотный спектр одиночного прямоугольного импульса, описываемого следующей функцией: U

A -/2< t < /2 A

U(t)=

0 t <-/2, t > /2

 


-/2 /2 t

 

Частотный спектр этой функции определяется интегралом Фурье:

f(w) = =

===

 

Амплитудно-частотный спектр одиночного прямоугольного импульса приведен на рис.4. По оси ординат отложены относительные значения амплитуд гармоник в единицах А, по оси абcцисс – циклическая частота w. Как видно из графика, в спектре преобладают низкочастотные составляющие. Можно показать, что 90% полной энергии сигнала сосредоточено в диапазоне частот от 0 до 2p/, 95% - до частот 4p/. Полоса частот, в которой сосредоточено 95% энергии импульса, называется активной шириной сигнала.

Разность частот между соседними гармониками Dw=2p/T, где Т – период следования импульсов. Для одиночного импульса Т=, следовательно, спектр непрерывный. При увеличении числа импульсов в последовательности спектр, приобретает характер линейчатого. Если количество импульсов в последовательности равно 20-30, то спектр, практически можно считать линейчатым. Он состоит из отдельно стоящих компонент спектра, разделенных полосами частот Dw.

Возвращаясь к спектру одиночного импульса можно заметить, что чем короче импульс (меньше ) , тем более широкий спектр должен быть сохранен при передачи сигнала (в противном случае сигнал будет искажен).

Приведенную схему анализа можно обобщить на импульсы различной формы

U U t t Рис.1а

 
 

 


а б в г д t а - прямоугольный, б – трапецеидальный, в – треугольный,

г – экспоненциальный, колокольный.

Рис.1б

 

U

Um

t

       
 
   
 

 


t Т Т t

tи

Рис.1в Рис.2а

DА А tи А/2 tф0 tс0 tи0

 

Рис.3 Параметры импульса.

 

T t t

Рис.2б Рис.2в

U

 

А

0,9А

 

 

0,1А

tф tc t

 

Рис.3б

       
 
   
 

 

 


Um j1

 

 

 
 

 


j0

 

tп.х. to.х. t

Рис.3в

f(w)

А

1

 

 

 

 

 

2/3p

2/5p 2/7p


2p/ 3p/ 4p/ 5p/ 6p/ 7p/ w

Рис.4.

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:843

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







 

2012-2018 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.