Электрические и временные параметры прямоугольных импульсов


СОДЕРЖАНИЕ:

Электрические и временные параметры прямоугольных импульсов

Часто в электронных схемах требуется сгенерировать разные типы сигналов, имеющих различные частоты и формы, такие как меандры, прямоугольные, треугольные, пилообразные сигналы и различные импульсы.

Эти сигналы различной формы могут использоваться в качестве сигналов синхронизации, тактирующих сигналов или в качестве запускающих синхроимпульсов. В первую очередь необходимо понять основные характеристики, описывающие электрические сигналы.

С технической точки зрения, электрические сигналы являются визуальным представлением изменения напряжения или тока с течением времени. То есть, фактически — это график изменения напряжения и тока, где по горизонтальной оси мы откладываем время, а по вертикальной оси — значения напряжения или тока в этот момент времени. Существует множество различных типов электрических сигналов, но в целом, все они могут быть разбиты на две основные группы.

  • Однополярные сигналы — это электрические сигналы, которые всегда положительные или всегда отрицательные, не пересекающие горизонтальную ось. К однонаправленным сигналам относятся меандр, тактовые импульсы и запускающие импульсы.
  • Двухполярные сигналы — эти электрические сигналы также называют чередующимися сигналами, так как они чередуют положительные значения с отрицательными, постоянно пересекая нулевое значение. Двухполярные сигналы имеют периодическое изменение знака своей амплитуды. Наиболее распространенным из двунаправленных сигналов, является синусоидальный.

Будучи однонаправленными, двунаправленными, симметричными, несимметричными, простыми или сложными, все электрические сигналы имеют три общие характеристики:

  • Период — это отрезок времени, через который сигнал начинает повторяться. Это временное значение также называют временем периода для синусоид или шириной импульса для меандров и обозначают буквой T.
  • Частота — это число раз, которое сигнал повторяет сам себя за период времени равный 1 секунде. Частота является величиной, обратной периоду времени, ( ). Единицей измерения частоты является Герц (Гц). Частотой в 1Гц, обладает сигнал, повторяющий 1 раз за 1 cекунду.
  • Амплитуда — это величина изменения сигнала. Измеряется в Вольтах (В) или Амперах (А), в зависимости от того, какую временную зависимость (напряжения или тока) мы используем.

Периодические сигналы

Периодические сигналы являются самыми распространенными, поскольку включают в себя синусоиды. Переменный ток в розетке дома представляет из себя синусоиду, плавно изменяющуюся с течением времени с частотой 50Гц.

Время, которое проходит между отдельными повторениями цикла синусоиды называется ее периодом. Другими словами, это время, необходимое для того, чтобы сигнал начал повторяться.

Период может изменяться от долей секунды до тысяч секунд, так как он связан с его частотой. Например, синусоидальный сигнал, которому требуется 1 секунда для совершения полного цикла, имеет период равный одной секунде. Аналогично, для синусоидального сигнала, которому требуется 5 секунд для совершения полного цикла, имеет период равный 5 секундам, и так далее.

Итак, отрезок времени, который требуется для сигнала, чтобы завершить полный цикл своего изменения, прежде чем он вновь повторится, называется периодом сигнала и измеряется в секундах. Мы можем выразить сигнал в виде числа периодов T в секунду, как показано на рисунке ниже.

Синусоидальный сигнал

Время периода часто измеряется в секундах ( с ), миллисекундах (мс) и микросекундах (мкс).

Для синусоидальной формы волны, время периода сигнала также можно выражать в градусах, либо в радианах, учитывая, что один полный цикл равен 360° (Т = 360°), или, если в радианах, то (T = ).

Период и частота математически являются обратными друг другу величинами. С уменьшением времени периода сигнала, его частота увеличивается и наоборот.

Соотношения между периодом сигнала и его частотой:

Один герц в точности равен одному циклу в секунду, но один герц является очень маленькой величиной, поэтому часто можно встретить префиксы, обозначающие порядок величины сигнала, такие как кГц, МГц, ГГц и даже ТГц

Префикс Определение Запись Период
Кило тысяча кГц 1 мс
Мега миллион МГц 1 мкс
Гига миллиард ГГц 1 нс
Тера триллион ТГц 1 пс

Меандр

Меандры широко используются в электронных схемах для тактирования и сигналов синхронизации, так как они имеют симметричную прямоугольную форму волны с равной продолжительностью полупериодов. Практически все цифровые логические схемы используют сигналы в виде меандра на своих входах и выходах.

Так как форма меандра симметрична, и каждая половина цикла одинакова, то длительность положительной части импульса равна промежутку времени, когда импульс отрицателен (нулевой). Для меандров, используемых в качестве тактирующих сигналов в цифровых схемах, длительность положительного импульса называется временем заполнения периода.

Для меандра, время заполнения равно половине периода сигнала. Так как частота равна обратной величине периода, (1/T), то частота меандра:

Например, для сигнала с временем заполнения равным 10 мс, его частота равна:

Меандры используются в цифровых системах для представления уровня логической «1» большими значениями его амплитуды и уровня логического «» маленькими значениями амплитуды.

Если время заполнения, не равно 50% от длительности его периода, то такой сигнал уже представялет более общий случай и называется прямоугольным сигналом. В случае, или если время положительной части периода сигнала мало, то такой сигнал, является импульсом.

Прямоугольный сигнал

Прямоугольные сигналы отличаются от меандров тем, что длительности положительной и отрицательной частей периода не равны между собой. Прямоугольные сигналы поэтому классифицируются как несимметричные сигналы.

В данном случае я изобразил сигнал, принимающий только положительные значения, хотя, в общем случае, отрицательные значения сигнала могут быть значительно ниже нулевой отметки.

На изображенном примере, длительность положительного импульса больше, чем длительность отрицательного, хотя, это и не обязательно. Главное, чтобы форма сигнала была прямоугольной.

Отношение периода повторения сигнала , к длительности положительного импульса , называют скважностью:

Величину обратную скважности называют коэффициентом заполнения (duty cycle):

Пусть имеется прямоугольный сигнал с импульсом длительностью 10мс и коэффициентом заполнения 25%. Необходимо найти частоту этого сигнала.

Коэффициент заполнения равен 25% или ¼, и совпадает с шириной импульса, которая составляет 10мс. Таким образом, период сигнала должен быть равен: 10мс (25%) + 30мс (75%) = 40мс (100%).

Прямоугольные сигналы могут использоваться для регулирования количества энергии, отдаваемой в нагрузку, такую, например, как лампа или двигатель, изменением скважности сигнала. Чем выше коэффициент заполнения, тем больше среднее количество энергии должно быть отдано в нагрузку, и, соответственно, меньший коэффициент заполнения, означает меньшее среднее количество энергии, отдаваемое в нагрузку. Отличным примером этого является использование широтно-импульсной модуляции в регуляторах скорости. Термин широтно-импульсная модуляция (ШИМ) буквально и означает «изменение ширины импульса».

Треугольные сигналы

Треугольные сигналы, как правило, это двунаправленные несинусоидальные сигналы, которые колеблются между положительным и отрицательным пиковыми значениями. Треугольный сигнал представляет собой относительно медленно линейно растущее и падающее напряжение с постоянной частотой. Скорость, с которой напряжение изменяет свое направление равна для обоих половинок периода, как показано ниже.

Как правило, для треугольных сигналов, продолжительность роста сигнала, равна продолжительности его спада, давая тем самым 50% коэффициент заполнения. Задав амплитуду и частоту сигнала, мы можем определить среднее значение его амплитуды.

В случае несимметричной треугольной формы сигнала, которую мы можем получить изменением скорости роста и спада на различные величины, мы имеем еще один тип сигнала известный под названием пилообразный сигнал.

Пилообразный сигнал

Пилообразный сигнал — это еще один тип периодического сигнала. Как следует из названия, форма такого сигнала напоминает зубья пилы. Пилообразный сигнал может иметь зеркальное отражение самого себя, имея либо медленный рост, но очень крутой спад, или чрезвычайно крутой, почти вертикальный рост и медленный спад.

Пилообразный сигнал с медленным ростом является более распространенным из двух типов сигналов, являющийся, практически, идеально линейным. Пилообразный сигнал генерируется большинством функциональных генераторов и состоит из основной частоты (f) и четных гармоник. Это означает, с практической точки зрения, что он богат гармониками, и в случае, например, с музыкальными синтезаторами, для музыкантов дает качественный звук без искажений.

Импульсы и запускающие сигналы (триггеры)

Хотя, технически, запускающие сигналы и импульсы два отдельных типа сигналов, но отличия между ними незначительны. Запускающий сигнал — это всего лишь очень узкий импульс. Разница в том, что триггер может быть как положительной, так и отрицательной полярности, тогда как импульс только положительным.

Форма импульса, или серии импульсов, как их чаще называют, является одним из видов несинусоидальной формы сигналов, похожей на прямоугольный сигнал. Разница в том, что импульсный сигнал определяется часто только коэффициентом заполнения. Для запускающего сигнала положительная часть сигнала очень короткая с резкими ростом и спадом и ее длительностью, по сравнению с периодом, можно пренебречь.

Очень короткие импульсы и запускающие сигналы предназначены для управления моментами времени, в которые происходят, например, запуск таймера, счетчика, переключение логических триггеров а также для управления тиристорами, симисторами и другими силовыми полупроводниковыми приборами.

Я рассмотрел здесь только основные виды электрических сигналов. Остальные типы сигналов, обычно, получают их комбинацией или модуляцией (изменением параметров, используя другой сигнал) , например:

  • Амплитудно-модулированный сигнал
  • Частотно-модулированный сигнал
  • Фазо-модулированный сигнал
  • Фазо-частотно-модулированный сигнал
  • Фазо-кодо-манипулированный сигнал

Подробно я вернусь к ним в своих последующих публикациях.

Параметры одиночного импульса

Введем понятие об основных параметрах импульсов на примере реального прямоугольного импульса. Как показано на рис. 213 такой импульс имеет передний фронт, срез (задний фронт) и плоскую вершину (участок импульса между фронтами). На рисунке показан также спад плоской вершины (AU) и, как следствие, небольшой вы­брос напряжения. Параметрами реального импульса являются его амплитуда, его длительность, длительность и крутизна фронтов, а также мощность в импульсе.

Амплитуда.Наибольшее значение напряжения или тока импульса является его амплитудой. Амплитуда импульса Um,(Im) выражается в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ) или амперах (А), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА).

Длительность. За активную длительность импульса tи.а. принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соответствующем половине амплитуды. Иногда длительность импульсов определяют на уровне 0,1Um (0.1,) или по основанию импульса. В дальнейшем, если это не оговорено, длительность импульса будет определяться по основанию и обозначаться (см. рис. 212. а). Длительность импульса выражается в единицах времени: секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкc) и наносекундах (1 нc = 10 -9 с).

Длительность и крутизна фронта импульса. Длительность переднего фронта импульса определяется временем нарастания импульса, а длительность среза — временем спада импульса. Наиболее часто пользуются понятием активной длительности фронта tф, за которую принимают время нарастания импульса от 0,1 Um до 0,9 Um,:аналогично длительность среза tc— время спада импульса от 0,9 Um, до 0,1 Um, (см. рис. 213).

Обычно длительность tф и составляет единицы процентов от длительности импульса. Чем меньше tф и tc по сравнению с . тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо tф и tcфронты импульса характеризуют скоростью нарастания (спада). Эту величину называют крутизной S фронта(среза) и выражают в вольтах в секунду (В/с), киловольтах в секунду (кВ/с) и т. д. Для прямоугольного импульса приближенно

Мощность в импульсе. Энергия W импульса, отнесенная к его длительности, определяет мощность вимпульсе: Ри = W/tф. Она выражается в ваттах (Вт), киловаттах (кВт), мегаваттах (МВт).

Тест 1. Физические процессы в тканях при действии тока и электрического и магнитного полей.

xi Количество теплоты, выделяющееся в диэлектриках при воздействии переменным электрическим полем УВЧ зависит от… + напряженности электрического поля и его частоты

xiiУкажите правильные высказывания:

* Пропускание переменного тока высокой частоты через ткани используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией

* С уменьшением частоты переменного тока пороговые значения ощутимого и неотпускающего тока уменьшаются

3.Укажите параметры электрического импульса: + амплитуда; крутизна фронта

* Если амплитуда импульсного тока увеличивается, то скважность следования импульсов… + не изменяется

* Укажите физиотерапевтический метод, основанный на действии постоянного тока:

* Укажите правильные высказывания:

* электрическим импульсом называют кратковременное изменение силы тока или напряжения

* методы диатермии и диатермокаогуляции заключаются в воздействии на ткани переменными высокочастотными токами

* При диатермии в тканях происходит… + выделение тепла

* Скважность следования импульсов определяется по формуле: + Q=T/tи

* При постоянной частоте импульсного тока и увеличении длительности импульса: Период – не изменяется Коэффициент заполнения – увеличивается

Скважность следования импульсов – уменьшается

* Порог ощутимого тока зависит от…

+ частоты переменного тока

11. Укажите правильные высказывания:

30) Характеристика импульсного тока, равная отношению длительности импульса к периоду, называется коэффициентом заполнения

31) Импульсный ток характеризуется периодом повторения импульсов, который равен среднему времени между началами соседних импульсов

* Укажите величину, которая не является параметром электрического импульса: + период

* Установите соответствия физиотерапевтического метода и действующего фактора:

Импульсные токи прямоугольной формы – кардиостимуляция Импульсные токи треугольной и экспоненциальной формы – электрогимнастика Постоянный ток – гальванизация Ток высокой частоты – электрохирургия

* Характеристика импульсного тока, равная отношению периода следования импульсов к длительности импульса, называется… + скважностью следования импульсов

* Если при неизменной форме и длительности импульса период импульсного тока уменьшается, то коэффициент заполнения:

* Первичное действие постоянного тока связано…

+ с движением ионов, их разделением и изменением их концентрации в различных элементах ткани

— Характеристика импульсного тока, равная отношению длительности импульса к периоду следования импульсов, называется . . .

— Если частота импульса 5 кГц, а длительность импульса равна 0,2 мс, то скважность равна… + 1,0

— Установите соответствие между действующим фактором и его основным действием на ткани:

Ток низкой частоты – раздражающее Ток высокой частоты – тепловое

— Укажите правильные высказывания:

— гальванизация представляет собой лечебный метод воздействия постоянным током

— электрофорез представляет собой метод введения лекарственных веществ через кожу при помощи постоянного тока

— Импульсный ток можно характеризовать коэффициентом заполнения К, который равен… + отношению длительности импульса к периоду следования импульсов

— Физиотерапевтический метод индуктотермии основан на воздействии на органы и ткани… + высокочастотным переменным магнитным полем

— Если при неизменной форме и длительности импульса период импульсного тока увеличивается, то скважность следования импульсов:

24. Укажите физиотерапевтический метод, основанный на действии электрического тока высокой частоты:

25. Крутизна фронта электрического импульса определяется по формуле: + Sф = 0,8Umax/τф

2. Метод электрохирургии, позволяющий рассекать биологические ткани токами высокой частоты называется … + диатермотомией

3. Укажите правильные высказывания:

+ Импульсным током называют повторяющиеся импульсы

+ При увеличении длительности фронта крутизна фронта увеличивается

28. Диатермия — физиотерапевтический метод, который основан на воздействии на ткани + переменным электрическим током высокой частоты

29. При частоте переменного тока 50 Гц . . .

10 мА — порог неотпускающего тока

1 мА — порог ощутимого тока

30. Единица СИ скважности следования импульсов: + безразмерная величина

31. В терапевтическом контуре аппарата УВЧ-терапии при совпадении его собственных колебаний с частотой колебаний в анодном контуре генератора происходит … + генерация электромагнитных колебаний

32. Установите соответствия:

промежуток времени между моментами, при которых напряжение имеет значение 0,1Um и 0,9Um – Длительность;

величина, равная отношению 0,8 Um к длительности фронта — Крутизна фронта наибольшее значение импульса – Амплитуда

5. Увеличение крутизны фронта импульса . . . пороговую силу тока, которая вызывает сокращение мышц + уменьшает

6. Укажите правильные высказывания:

+ При электрогимнастике используют импульсный ток частотой 100 Гц с импульсами треугольной формы

+ Скважность следования импульсов равна отношению периода импульсного тока к длительности импульса

35. Установите соответствия между терапевтическим методом и формой и частотой действующего импульсного тока:

Терапия аппаратом «Электросон» — прямоугольный, 150 Гц Электрогимнастика — треугольный, 100 Гц Кардиостимуляция — прямоугольный, 1 – 1,2 Гц

36. Физиотерапевтический метод гальванизации основан на воздействии на ткани + постоянным электрическим током

37. Укажите правильные высказывания:

4) При увеличении частоты переменного тока пороговые значения ощутимого и неотпускающего тока увеличиваются

5) Среднее значение порога ощутимого тока на частоте 50 Гц для мужчин на участке предплечье – кисть составляет 1 мА

38. Ток с импульсами треугольной или экспоненциальной формы применяют . . .

+для воздействия на мышцы при электрогимнастике

39. Длительностью импульса называется величина, равная промежутку времени . . .

+ от начала до конца импульса

40. Если при неизменной форме и длительности импульса период импульсного тока уменьшается, то скважность следования импульсов:

41. Если период повторения импульса равен 2 мс, а длительность импульса равна 5 мс, то коэффициент заполнения равен ..

42. Метод УВЧ-терапии основан на воздействии на ткани и органы . . .

+ переменным высокочастотным электрическим полем

43. Укажите правильные высказывания:

+ В кардиостимуляторах используются прямоугольные импульсы с частотой 1 – 1,2 Гц

+ При воздействии аппаратом «Электросон» используются прямоугольные импульсы в диапазоне частот 5 – 150 Гц

44. При электрофорезе лекарственные вещества располагают на электродах с учётом следующего условия:

+ анионы вводят с катода

45. Если коэффициент заполнения импульсного тока увеличивается, то скважность следования импульсов… + уменьшается

46. Единица СИ крутизны фронта импульсов:

47. Порогом ощутимого тока называют… + наименьшую силу тока, раздражающе действие которого ощущает человек

2 Если амплитуда импульсного тока уменьшается, то то его коэффициент заполнения + не изменяется

3 При воздействии кардиостимулятором на мышцу сердца используют импульсный ток прямоугольной формы с частотой + 1-1,2 Гц

4 Если при неизменной частоте импульсного тока длительность импульса увеличивается, то коэффициент заполнения:

5 Укажите основное действие постоянного тока и токов низкой частоты на ткани: + раздражающее

6 При УВЧ-терапии количество теплоты, выделяющееся в тканях, проводящих электрический ток, зависит от… + напряженности электрического поля и удельного сопротивления тканей

7 Если частота импульсного тока равна 1 кГц, а длительность импульса – 0,2 мс, то скважность следования импульсов равна:

8 Метод введения лекарственных веществ через кожу или слизистую оболочку называется… + электрофорезом

9 Единица СИ коэффициента заполнения импульсного тока:

56. Если длительностьфронта импульса составляет 1 мкс, а максимальное значения напряжения равно 1 мВ, то крутизна фронта импульса равна… + 0,8 * 10 3 В/с

57. Импульсные токи прямоугольной формы с частотой 1 – 1,2 Гц используют . . .

+ при воздействии кардиостимулятором на мышцу сердца

58. Установите соответствия:

промежуток времени между моментами, при которых напряжение имеет значение 0,1Um и 0,9Um — Длительность

наибольшее значение импульса — Амплитуда

величина, равная отношению 0,8 Um к длительности фронта — Крутизна фронта

59. Укажите правильные высказывания:

+ Импульсный ток характеризуется периодом повторения импульсов, который равен среднему времени между началами соседних импульсов

+ Характеристика импульсного тока, равная отношению длительности импульса к периоду, называется коэффициентом заполнения

60. Если при неизменной форме и длительности импульса период импульсного тока увеличивается, то коэффициент заполнения:

61. Установите соответствия: Крутизна фронта — S = 0,8Umax/τф Коэффициент заполнения — K = 1/Q Cкважность — Q = T/tи

62. Укажите правильные высказывания:

+ При воздействии электрического поля УВЧ электролит нагревается интенсивнее диэлектрика + Для воздействия электрическим полем УВЧ биологическая система помещается

между плоскими электродами, которые не касаются тела 63. Укажите правильные высказывания:

xiПри воздействии кардиостимулятором на мышцу сердца используют импульсный ток прямоугольной формы с частотой 1 – 1,2 Гц

xii Длительностью импульса называется величина, равная промежутку времени между моментами, при которых напряжение имеет значение 0,1Um и 0,9Um (Um-амплитуда импульса

iii Импульсные токи прямоугольной формы с частотой 1 – 1,2 Гц используют . . .

+ при воздействии кардиостимулятором на мышцу сердца

iv Установите соответствия:

* Ток высокой частоты – теплое

* Ток низкой частоты – раздажающее

66. Установите соответствия:

При постоянном периоде импульсного тока и уменьшении длительности импульса

+ уменьшается — Скважность следования импульсов

+ увеличивается — Коэффициент заполнения

+ не изменяется – частота

67. Установите соответствия:

При постоянной частоте импульсного тока и увеличении длительности импульса

+ уменьшается — Скважность следования импульсов

+ увеличивается — Коэффициент заполнения

+ не изменяется – период

68. Длительностью импульса называется величина, равная промежутку времени . . .

+ между моментами, при которых напряжение имеет значение 0,1Um и 0,9Um (Um-амплитуда импульса)

69. Укажите правильные высказывания:

* Если при неизменной форме и длительности импульса период импульсного тока увеличивается, то скважность следования импульсов увеличивается.

* Период не является параметром электрического импульса

70. Среднее время между началами соседних импульсов называется … + периодом повторения импульса

71. Установите соответствия:

72. Укажите правильные высказывания:

+ электрическим импульсом называют кратковременное изменение силы тока или напряжения

+ Скважность следования импульсов является безразмерной величиной.

73. При действии на ткани токами с частотой более 500 кГц первичным эффектом является … воздействие + тепловое

74. Установите соответствия:

При частоте переменного тока 50 Гц . . .

+ 10 мА – порог неотпускающего тока

+ 1 мА – порог ощутимого тока

75. При УВЧ-терапии количество теплоты, выделяющееся в тканях, проводящих электрический ток, зависит от .

+ напряженности электрического поля и удельного сопротивления тканей

76. Импульсный ток характеризуется периодом повторения импульсов, который является.

+ средним временем между началами соседних импульсов

77. При электрофорезе между электродами и кожей помещаются.

+ прокладки, смоченные раствором лекарственного вещества

78. Количество теплоты, выделяющееся в диэлектриках при воздействии переменным электрическим УВЧ-полем зависит от.

+ напряженности электрического поля и его частоты

79. Диадинамические токи используются.

+ при воздействии на мышцы при электрогимнастике

80. Метод УВЧ-терапии основан на воздействии на ткани и органы .

+ переменным высокочастотным электрическим полем

81. Импульсный ток можно характеризовать скважностью Q, которая представляет собой.

+ отношение периода следования импульсов к длительности импульса

82. Укажите физиотерапевтический метод, основанный на действии эл. тока высокой частоты:

83. При электрофорезе лекарственные вещества располагают на электродах с учетом следующего условия:

+ незаряженные лекарственные молекулы вводят с обоих электродов

84. Установите соответствия:

Постоянный ток – Электрофорез Переменное эл. поле – УВЧ-терапия

Переменное магнитное поле – Индуктотермия Ток высокой частоты – Диатерми

85. Количество теплоты, выделяющейся в 1 м3 за 1 с определяют по формуле . . .

— в проводниках при воздействии током высокой частоты

— в проводниках при воздействии переменным магнитным полем

— в диэлектриках при воздействии переменным электрическим полем УВЧ

86. Установите соответствия между терапевтическим методом и формой и частотой действующего импульсного тока:

+ прямоугольный, 150 Гц – терапия аппаратом «электросон» + треугольный, 100 Гц — электрогимнастика + прямоугольный, 1 – 1,2 Гц – кардиостимуляция

87. Укажите правильные высказывания:

+ Метод индуктотермии представляет собой метод воздействия на ткани и органы высокочастотным магнитным полем

+ Метод УВЧ-терапии представляет собой метод воздействия на ткани и органы высокочастотным электрическим полем

88. Укажите правильные высказывания:

+ Единица СИ крутизны фронта импульса – В/с + Электрическим импульсом называют кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока

89. Укажите правильные высказывания:

+ Диатермотомия – это прижигание (сваривание) ткани, при котором происходит коагулция + При диатермии наблюдается тепловой эффект в глубоколежащих тканях

90. Укажите правильные высказывания:

4.электрофорез представляет собой метод введения лекарственных веществ через кожу при помощи постоянного тока

5.количество теплоты, выделяющейся в тканях при высокочастотной физиотерапии, зависит от частоты

· Оптической длиной тубуса называют расстояние между …

· При микропроекции и микрофотографии изображение объекта …

· Предел разрешения микроскопа уменьшается при использовании иммерсионного объектива

· Для близорукого глаза увеличение одной и той же лупы меньше, чем для дальнозоркого

· Разрешающая способность микроскопа зависит от длины волны света. ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ

· Метод ультрамикроскопии используется для обнаружения частиц, размеры которых меньше предела разрешения микроскопа

· Микроскопия в ультрафиолетовом свете позволяет уменьшить предел разрешения микроскопа

· Увеличение лупы равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы

· Иммерсионный объектив используют для увеличения апертуры

· Используемые в микроскопе конденсоры создают параллельный пучок света

· Предел разрешения микроскопа зависит от длины волны света

· Иммерсионные среды увеличивают числовую апертуру микроскопа

· Для того, чтобы увеличить разрешающую способность микроскопа, можно уменьшить длину волны

· Лупой называют, оптическую систему, в передней фокальной плоскости которой (или в непосредственной близости от нее) расположен наблюдаемый объект

· Метод обнаружения частиц, размеры которых меньше предела разрешения микроскопа, называется ультрамикроскопией

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Генераторы прямоугольных импульсов тока на основе однородных искусственных линий

Виктор Опре

Данный материал предваряет цикл статей, в которых рассматриваются схемные решения генераторов мощных импульсов тока с регулируемыми амплитудно-временными параметрами и приводятся их основные расчетные соотношения. Тема этой статьи — электромагнитные процессы в мощных генераторах прямоугольных импульсов тока, в которых в качестве накопительных и формирующих цепей используются однородные искусственные линии. В следующих работах будет показано, как на основе однородной искусственной линии, принятой за базовую схему, решаются задачи генерирования импульсов регулируемой длительности и формы.

Для генерирования мощных прямоугольных импульсов тока или напряжения микросекундного или миллисекундного диапазона длительностей из четырех канонических схем реактивных формирующих двухполюсников (ФД) предпочтение отдается однородной искусственной линии (ОИЛ) [1]. Основное ее преимущество, которое проявляется при практической реализации генераторов на ее основе, — это равенство друг другу значений индуктивностей и емкостей ячеек, что существенно облегчает конструирование и изготовление линий. Помимо этого, ОИЛ в силу своей цепочечной структуры — это физический аналог (модель) длинной линии с распределенными параметрами (ДЛРП), что иногда позволяет существенно упростить анализ электромагнитных процессов.

Эквивалентная схема ОИЛ, учитывающая конечное значение добротности индуктивных элементов, приведена на рис. 1. Потерями, определяемыми утечками конденсаторов, пренебрегаем.

ОИЛ представляет собой цепочечное соединение n однотипных Г-образных четырехполюсников. Используя соотношения, связывающие между собой в операторной области токи и напряжения в отдельных четырехполюсниках через ток и напряжение на входе цепи, можно найти переходные характеристики для любого элемента ОИЛ во временной области.

Так, для токов индуктивных элементов и напряжений на емкостях получим:

где Е — напряжение заряда линии; (s – 1) — номер индуктивного элемента; s—номер емкостного элемента; s = 1, 2,…n; β = Rя/Lя; Θк = π(2к + 1)/2(2n + 1); ωк =√ω²sinΘк²–β²; ω = 2/√LяСя [2].

Из (1) следует, что переходная проводимость ОИЛ (E = 1, s = 1) представляет собой сумму из n синусоид, имеющих не кратные частоты и различные амплитуды, причем зависимости (1) и (2) являются точными аналитическими зависимостями. Анализ переходных процессов в ОИЛ, нагруженной на линейную активную нагрузку, в аналитическом виде представляет собой чрезвычайно сложную задачу, не имеющую общего решения, поэтому необходимо применить численные методы [3, 4]. Следует отметить, что зависимости (1) и (2) позволяют оценить точность численных расчетов, которые при коротком замыкании ОИЛ должны совпасть с результатами, полученными с помощью зависимостей (1) и (2).

На рис. 2 приведены временные зависимости токов нагрузки ОИЛ, работающей в согласованном режиме (то есть ρ = R, где ρ = ?Lяя — волновое сопротивление ОИЛ, а R — сопротивление нагрузки) для различного числа ячеек n = 3, 5 и 10, а на рис. 3 — токов индуктивностей 5-звенной ОИЛ. Все зависимости получены в нормированном виде для длительности τ = 1 и волнового сопротивления ρ = 1. Анализ кривых на рис. 2 и 3 показывает, что форма импульса тока ОИЛ отличается от формы идеального прямоугольного импульса, но при увеличении числа ячеек и сохранении значения величины суммарной емкости и индуктивности ОИЛ форма импульса приближается к прямоугольной, а токи индуктивностей практически униполярны.

Исследование кривых также показывает, что фронт и срез импульса имеют конечные длительности, уменьшающиеся с ростом числа ячеек. На плоской части импульса присутствуют осцилляции, причем амплитуда первого выброса с ростом n остается неизменной (ΔI ≈ 12,3%), что объясняется дефектом сходимости рядов (эффект Гиббса).

Параметры ОИЛ определяются заданными значениями R и ? и имеют вид

Число ячеек n обычно выбирают на основании требований, предъявляемых к длительности фронта, причем варьирование этого числа позволяет получить значения СЯ кратными стандартному ряду номиналов конденсаторов. При проектировании генераторов на основе ОИЛ выбор конденсаторов производится в первую очередь, исходя из уровней рабочих напряжений ОИЛ и рабочих частот генератора. Расчет катушек индуктивностей требует знания действующих значений их токов. Обычно все индуктивности ОИЛ изготавливают одинаковыми, а расчет их параметров ведется по действующему значению тока нагрузки при работе генератора в частотном режиме. Основные параметры импульсов, формируемых ОИЛ в согласованной активной нагрузке, имеют следующий вид [1]:

где τфр и τср — междецильные длительности фронта и среза импульса соответственно.

В тех случаях, когда рабочая частота генератора невелика (не превышает единиц герц), выбор сечения обмоточного провода или шин, из которых изготавливают катушки индуктивности, следует производить с учетом омического сопротивления катушек на постоянном токе — RL. При этом добротность линии QЛ = ρ/RL должна быть не менее 15–20, чтобы избежать недопустимого по величине спада плоской части импульса. На рис. 4приведены токи нагрузки 5-звенной ОИЛ для трех различных значений добротности линии QЛ: ∞ (кривая 1), 25 (кривая 2) и 10 (кривая 3). Из анализа рис. 4 следует, что увеличение потерь в структуре линии приводит к увеличению спада плоской части импульса, увеличению длительностей и самого импульса, и его среза.

Оценка допустимой величины спада плоской части импульса ?I по величине добротности линии QЛ = ρ/RL дает приемлемый результат только для ОИЛ с малым числом ячеек (n ≤ 5–10). Дальнейшее увеличение числа ячеек линии n при сохранении длительности импульса ? и величины добротности линии QЛ приводит к существенному увеличению потерь в ней и, соответственно, спаду плоской части импульса ΔI. Более точным критерием для прогнозирования величины ΔI является КПД процесса разряда, который определяет потери в ОИЛ. Примем величину КПД равной

Каждый электрик должен знать:  Техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты электрических машин

В ДЛРП, эквивалентной ОИЛ и разбитой на n отрезков, токи всех отрезков имеют прямоугольную форму, но разную длительность, а их амплитуды равны друг другу.

Введем понятие скважности импульсов тока k-ой индуктивности

В силу этого можно записать, что

Полагая, что режим работы линии согласованный, считаем

и окончательно получим

Из зависимости (4) видно, что с ростом числа ячеек n при сохранении величины добротности QЛ КПД процесса разряда уменьшается. Отсюда следует вывод, что для сохранения заданной величины спада плоской части импульса ΔI при увеличении числа ячеек n следует пропорционально увеличивать и добротность линии QЛ. На рис. 5 приведены импульсы тока трех нормированных ОИЛ: n = 5, QЛ = 25 (кривая 1), n = 32, QЛ = 25 (кривая 2) и n = 32, QЛ = 250 (кривая 3), что подтверждает данный вывод. В связи с этим необходимо ввести понятие относительной добротности линии Q*Л, то есть величину добротности, отнесенную к одной ячейке. Поскольку величина спада плоской части импульса у 5-звенной ОИЛ с добротностью QЛ = 25 обычно находится в допустимых пределах, можно принять Q*Л = 5. Тогда для 10-звенной ОИЛ добротность должна равняться 50 и т. д. Все это несколько ограничивает допустимое количество ячеек ОИЛ, так как изготовление линий с очень высокой добротностью затруднительно.

Иная картина возникает в том случае, когда потери в структуре линии определяются как потери в конденсаторах. При этом в первую очередь подразумеваются потери, определяемые омическим сопротивлением обкладок конденсаторов, их выводов и сопротивлением токоведущих шин, подключенных непосредственно к конденсаторам ячеек. Следует отметить, что конденсаторы, используемые в силовой импульсной технике, обладают малыми утечками, и эта составляющая потерь, проявляющаяся в основном только в процессе заряда, обычно не учитывается.

Учет потерь в конденсаторах при их разряде моделируют резисторы, включаемые последовательно с конденсаторами в каждую ячейку. При этом выявляется иной механизм влияния на процесс разряда. На рис. 6 приведены временные зависимости тока нагрузки нормированной 5-звенной линии для трех значений: RС = 0 (кривая 1), RС = 0,2? (кривая 2) и RС = 0,5? (кривая 3). Из этих зависимостей следует, что амплитуда импульса практически не уменьшается, но несколько сглаживаются осцилляции, увеличивается длительность среза импульса и, соответственно, его полная длительность. Отсюда следует, что учет потерь в конденсаторах ОИЛ не представляет практического интереса даже при больших значениях RС.

При реализации генераторов импульсов обычно предъявляются высокие требования к форме импульсов тока нагрузки, особенно к постоянству вершины импульсов. При этом требуется снижение амплитуды осцилляций, достижение приемлемых значений величины спада плоской части при одновременном сохранении требуемой величины длительности фронта. Для уменьшения амплитуды осцилляций на плоской части импульса ОИЛ следует увеличить значение входной индуктивности линии LЯ, что может быть сделано при подключении дополнительной индуктивности LД. При коррекции осцилляций длительность фронта рассчитывается с учетом LД и равна

На рис. 7 приведены токи индуктивностей 5-звенной линии для условия LД = LЯ. Приведенная на рис. 7 сглаженная кривая тока нагрузки показывает, что введение дополнительной индуктивности LД = LЯ незначительно удлиняет активную длительность среза, которую практически можно рассчитывать по (3). Активная длительность сглаженного импульса при этом несколько возрастает и равна.

Так как при введении дополнительной индуктивности LД = LЯ длительность фронта импульса возрастает практически в два раза, для восстановления нужной длительности фронта, соответствующей LД = 0, число звеньев линии следует увеличить вдвое при сохранении суммарных величин индуктивности и емкости линии. Помимо этого уменьшение длительности фронта импульса может быть достигнуто включением параллельно ОИЛ корректирующей емкости СК = СЯ, соединенной последовательно с корректирующим сопротивлением RК = ρ (рис. 8). В процессе заряда емкость СК заряжается вместе с другими конденсаторами линии до напряжения Е. После замыкания ключа К напряжение на нагрузке в нулевой момент времени uR (0) = 0,5E. Однако включение корректирующей цепочки RК–СК, приводит к увеличению длительности среза формируемого импульса и несколько снижает КПД генератора. На рис. 9 кривая 1 соответствует импульсу тока нагрузки нормированной 5-звенной линии, а кривая 2 — той же линии с корректирующей цепью. На рисунке видно, что при работе по этой схеме вершина импульса не корректируется. Отмеченные недостатки в существенной степени устраняются при использовании схемы коррекции, приведенной на рис. 10. Здесь корректирующая емкость СК1 заряжается вместе с линией до напряжения Е. Последовательно с нагрузкой включается корректирующий RLC-двухполюсник, параметры которого удовлетворяют соотношениям

Три равенства (5) определяют три из четырех параметров корректирующей цепи. Четвертый параметр может быть выбран произвольно.

Удобно принять СК1 = СЯ, либо LК = LЯ. В тех случаях, когда паразитная емкость нагрузки Сп значительно меньше емкости СК1, формулы для расчета RК, СК1 и СК2 упрощаются и могут быть представлены в виде: RК = RН, СК2 = СП, СК1 = LК/R². На рис. 11 приведен импульс тока 5-звенной ОИЛ, работающей на резистивную нагрузку, шунтированную емкостью, без коррекции (кривая 1) и скорректированный импульс тока этой же линии (кривая 2). На рисунке видно, что скорректированный импульс имеет практически нулевую длительность фронта и меньшие осцилляции, но большую длительность.

В реальных условиях генераторы прямоугольных импульсов работают не на идеализированную резистивную нагрузку, а в общем случае на комплексную, параметры которой чаще всего удается определить только опытным путем. Обычно в цепи нагрузки присутствуют последовательно включенная индуктивность, определяемая индуктивностью проводников и нагрузки, и параллельно включенная нагрузке емкость, определяемая как емкостью проводников, так и емкостью конструкции самой нагрузки. Скорее всего, представить комплексную нагрузку генератора в самом общем виде невозможно. Но учитывая то, что в составе генераторов прямоугольных импульсов часто присутствует согласующий импульсный трансформатор, можно считать, что генератор работает на нагрузку, комплексные параметры которой определяются основными параметрами импульсного трансформатора. На рис. 12 приведена схема генератора, в котором ОИЛ (LЯ — входная индуктивность ОИЛ) нагружена на цепь, состоящую из последовательно включенной индуктивности LД, самой нагрузки RН и шунтирующих ее емкости СН и индуктивности LН. Исходя из классической схемы замещения импульсного трансформатора, индуктивность LД можно рассматривать как индуктивность рассеяния трансформатора, индуктивность LН как индуктивность намагничивания трансформатора, а емкость СН — как сумму паразитных емкостей трансформатора.

На рис. 13 приведены временные зависимости токов нагрузки нормированной ОИЛ (LЯ = 0,1, СЯ = 0,1, n = 5) для условий LД = 0, LН = ?, СН = 0, 0,03 и 0,06 (кривые 1, 2 и 3 соответственно). При детальном анализе этих зависимостей обнаруживается, что междецильная длительность фронта импульса увеличивается несущественно, длительность среза практически не меняется, а амплитуда выброса при данных соотношениях емкостей ячеек и нагрузки возрастает. На рис. 14 приведены временные зависимости токов нагрузки нормированной ОИЛ при LД = 0, СН = 0, LН = ∞, 2, 1 (кривые 1, 2 и 3 соответственно). На рисунке видно, что шунтирование нагрузки индуктивностью практически не изменяет длительность фронта, но приводит к существенному увеличению спада плоской части, уменьшению междецильной длительности самого импульса и амплитуды выброса.

В тех случаях, когда нагрузка имеет индуктивный характер и может быть представлена в виде последовательной RН–LН цепи, а величина индуктивности нагрузки сопоставима с величиной индуктивности ячейки ОИЛ, входная индуктивность ОИЛ LЯ может быть уменьшена на величину LН.

Следует отметить, что анализ электромагнитных процессов в ОИЛ, работающей на сложную комплексную нагрузку, когда необходимо учитывать влияние всех элементов одновременно, не представляет особой сложности при использовании современных вычислительных программных средств. Но при этом необходимо иметь адекватную модель нагрузки, что иногда вызывает некоторые трудности, поскольку определение параметров этой нагрузки (в первую очередь паразитных) обычно производится экспериментально.

В реальных устройствах нагрузка импульсных генераторов чаще всего нелинейная. Характерными примерами нелинейных нагрузок являются анодные цепи магнетронов, объемный газовый разряд в газовых лазерах, лампы накачки твердотельных лазеров, дуговой разряд в импульсных сварочных установках, контуры нагрузки контактных конденсаторных сварочных машин и т. п. Анализ электромагнитных процессов в импульсных генераторах, работающих на нелинейную нагрузку, требует знания вольт-амперной характеристики (ВАХ) данной нагрузки, которая может быть задана аналитически, графически или табличным способом. Обычно ВАХ нагрузки получают экспериментально, а затем аппроксимируют их аналитическими зависимостями — степенным рядом, тригонометрическими функциями и т. п. Таким образом, задача анализа электромагнитных процессов в ОИЛ, работающей на произвольную нелинейную резистивную нагрузку, может быть решена численно с достаточно высокой точностью, определяемой в первую очередь адекватностью математической модели нагрузки. При проектировании и изготовлении ОИЛ, работающих на нелинейные нагрузки, возникает задача определения оптимальных параметров элементов ОИЛ. При этом необходимо исходить из того, чтобы режим работы ОИЛ был наиболее близок к согласованному, когда практически вся энергия, запасенная в линии, выделялась в нагрузке за время, равное длительности импульса. Традиционно вопрос о согласовании ОИЛ с линейной нагрузкой рассматривается на примере согласования эквивалентной ДЛРП, а затем результаты переносят на ОИЛ с конечным числом элементов. Этот подход может быть использован и при решении задачи о согласовании ОИЛ с нелинейной нагрузкой при допущении, что нагрузка является резистивной и безынерционной.

Пусть вольт-амперная характеристика нагрузки имеет вид uН = u (i) и однозначна относительно тока. ДЛРП, заряженная до напряжения Е и формирующая в нагрузке импульс тока длительностью τ, на отрезке времени 0 ≤ t ≤ τ может быть заменена источником ЭДС Е и эквивалентным активным сопротивлением ρ, равным волновому сопротивлению ДЛРП. Эквивалентная схема процесса разряда представлена на рис. 15. Для этой схемы справедливо следующее уравнение

Так как в этой цепи отсутствуют реактивные элементы, длительность переходных процессов в моменты включения (t = 0) и отключения (t = τ) идеального ключа К равна нулю. При этом ток в цепи за время 0 ≤ t ≤ τ не меняет своей величины: i (t) = IН = const. Величина тока определяется суммарной вольтамперной характеристикой нагрузки u (i), активного сопротивления ? и величиной напряжения Е. На рис. 16 даны примеры некоторых нелинейных нагрузок.

Прямая 1 соответствует нагрузке в виде противоЭДС. U, прямая 2 — нагрузке в виде противоЭДС U01 и резистора Rдиф, величина которого определяется углом наклона этой прямой, кривые 3 и 4 — нелинейные нагрузки произвольного вида. Прямая E — iρ представляет собой падающую внешнюю характеристику источника питания с током короткого замыкания Iкз/ρ. Условие согласования в этом случае имеет вид

Действительно, энергия, выделившаяся в нагрузке за время длительности импульса WН, равна энергии WЛ, запасенной в ЛРП:

Из (6) следует, что для обеспечения согласованного режима работы линии необходимо одновременное выполнение следующих равенств:

где Rст — статическое сопротивление нагрузки при I = IН.

При проектировании ОИЛ ставится задача определения ее параметров, при которых в нагрузке сформируется прямоугольный импульс тока заданной амплитуды IН и длительности τ. Зная ВАХ нагрузки, можно определить из (7) величину волнового сопротивления ρ и напряжение заряда Е, при которых будет обеспечен согласованный режим работы. Следует помнить, что на режим согласования при работе на нелинейную нагрузку одновременно влияют как величина волнового сопротивления линии ρ, так и величина напряжения заряда Е, и согласованный режим исключает возможность регулирования тока заряда путем изменения уровня напряжения заряда. В общем случае для регулирования амплитуды импульса тока нагрузки при сохранении согласованного режима работы необходимо одновременно с изменением напряжения заряда линии изменять и ее волновое сопротивление. Поскольку изготовление и эксплуатация ОИЛ с регулируемым волновым сопротивлением связаны с большими трудностями, наиболее приемлемым способом регулирования тока нагрузки все-таки является регулирование уровня зарядного напряжения. Иногда при этом необходимо предусматривать дополнительные схемные решения, обеспечивающие как требуемые параметры импульсов тока нагрузки, так и повышение КПД установки в целом [5].

При проектировании мощных ОИЛ необходимо знать величины действующих и амплитудных значений токов в элементах и максимальных напряжений на них. Максимальные значения напряжений не превышают величины зарядного напряжения линии, которое может быть принято за расчетное. Расчет и проектирование катушек индуктивностей необходимо производить по действующим значениям токов этих катушек для максимального режима работы генератора, то есть при максимальных значениях частоты, амплитуды и длительности импульсов тока нагрузки. В тех случаях, когда рабочая частота генератора невелика (не превышает единиц герц), выбор сечения обмоточного провода или шин, из которых изготавливаются катушки индуктивности, нужно делать с учетом добротности линии. Выбор сечения обмоточного провода или шин катушек индуктивностей производится по допустимой плотности тока, не превышающей 3–5 ампер на кв. мм в условиях естественного режима охлаждения. Поскольку в ОИЛ все катушки индуктивностей имеют один и тот же номинал, их обычно изготавливают одинаковыми. При этом действующее значение тока каждой индуктивности принимается равным действующему значению тока первой катушки и в отсутствии цепей коррекции равно действующему значению тока нагрузки. Тем не менее, приближенно относительную величину действующего значения тока k-ой индуктивности I*Дk ОИЛ с произвольным числом ячеек можно определить как

где IДk — действующее значение тока k-ой индуктивности, IД1 — действующее значение тока 1-ой индуктивности, n — число ячеек линии, k — номер индуктивности.

Действующее значение прямоугольного импульса тока k-ой индуктивности определяется зависимостью (8), что и позволяет оценить потери в линии.

В таблице 1 приведены величины I*Дk, вычисленные для 3-, 5- и 10-звенных линий по формуле (8) и численным методом.

Из таблицы 1 следует, что простая приближенная зависимость (8) дает несколько завышенные значения I*Дk, но разница проявляется только в третьем знаке после запятой.

В таблице 2 приведены амплитудные значения токов индуктивных элементов, которые в различных ОИЛ могут на 17,8–23,9% превышать расчетную амплитуду импульса тока нагрузки, что следует учитывать при вычислении величин электродинамических сил, пропорциональных квадрату амплитуды тока.

Обычно ОИЛ используется как емкостный накопитель энергии. Но так называемую короткозамкнутую ОИЛ можно использовать и как индуктивный накопитель энергии, когда энергия запасается в магнитном поле катушек индуктивностей. В этом случае электромагнитные процессы в линии подобны процессам, возникающим в разомкнутой линии, но роль волн напряжения в разомкнутой линии здесь выполняют волны тока, и наоборот. При R = ρ на нагрузке формируется прямоугольный импульс напряжения, амплитуда которого равна

На рис. 17 приведена схема 5-звенной короткозамкнутой ОИЛ, энергия в которой запасается в индуктивных элементах, а нагрузка подключается параллельно емкости первой ячейки.

Короткозамкнутая формирующая линия имеет то преимущество над разомкнутой линией, что при R >> RИ она предоставляет возможность получить импульс напряжения значительной амплитуды UR >> E. Однако процесс накопления и хранения энергии в магнитном поле линии сопряжен с рядом недостатков и имеет низкий КПД. Поэтому короткозамкнутые формирующие линии применяются тогда, когда отмеченное достоинство является особенно существенным. Высоковольтный силовой ключ К должен быть полностью управляемым, поскольку он работает на размыкание, что несколько затрудняет практическую реализацию этой схемы. На рис. 18 показаны импульсы напряжения на двух согласованных линейных нагрузках R = ρ = 1 Ом и R = ρ = 10 Ом. В обоих случаях ток заряда равен 2 А. Длительность нормированного импульса — 1 с. Амплитуды импульсов напряжения u1(t) и u2(t) составили соответственно 1 и 10 В, токи обеих нагрузок одинаковы и имеют амплитуду 1 А.

Электрические и временные параметры прямоугольных импульсов

В последнее время на Форуме опять стали активно обсуждать преимущества и недостатки «уловистости» той или иной формы импульса. Не смотря на мое предложение не сравнивать амплитудные и временные (частотные) параметры импульсов разной формы – «вавилонское столпотворение» продолжается. И Семеныч, и я уже неоднократно писали, что ловить успешно можно импульсами любой формы, если их настроить на конкретный водоем. Но одних при этом ограничивает емкость аккумулятора, других — нежелание мотать дроссели, третьих – отсутствие желаемой элементной базы и т.д. В результате получаем следующее (сразу хочу заметить, что я с уважением отношусь к этим участникам Форума, и данные примеры приводятся не в упрек им, а просто в качестве примера):

Kullibbin, тема: Об оптимальной форме импульса. Отправлено: 28.04.2004 03:07:
«…вот результаты сравнения классики 700 В 180 мксек ступенька 6 мкф емкость на выходе и 4Т — 800 В на выходе, 8 мкф емкость на выходе. На одном месте отмечалось удовлетворительная анодная реакция у классики лучше, чем у 4Т, в другом месте тот же аппарат работал значительно хуже, чем 4Т, надо было буквально класть рыбе на башку сачок, иначе разбегается. Что-то сомнения берут по поводу этой пресловутой ступеньки. Вода в этих двух местах была разной, там, где классика хуже, мутная и грязная, а там, где лучше — чистая проточная».

Kullibbin, тема: Отчет. Отправлено: 05.05.2004 18:53 Re: Отчет:
«…Даже со ступенькой 400 вольт + выброс 700 В ловится хуже, чем на 1 мс 500 В».

URAZ, тема: Об оптимальной форме импульса. Отправлено: 09.03.2004 16:57:
«…Не знаю, не знаю с чем сравнивать. Писал неоднократно, что ловлю с напарником, а то и с двумя. Бывает по-разному. Даже с одной и той же удой. У них классика, у меня неизменный прямоугольник. Лов больше у меня. Было у одного двухключевая с 1000 Гц, у другого – классика, у меня – прямоугольник. С ключевой — меньше всего».

Как видите, подобная информация несет только субъективную оценку той или иной формы импульса без анализа причин. Я уверен, если бы каждый из них попытался бы настроить параметры «своих» импульсов к данным водоемам, реакция рыб была бы практически одинаковая на любую форму импульса (было бы только отличие в параметрах импульсов: амплитуда, длительность, частота, ну и естественно в потребляемой мощности от источника питания).
А теперь приведу в качестве примера информацию, которая говорит о том, что в этих случаях подходили к вопросу иначе и такие отчеты порадуют не только Семеныча:

Опять же URAZ, тема: Отчет. Отправлено: 03.05.2004 06:07:
«…частота и длительность которая действует на рыбу. Вот что получилось. Минимальная частота удержания щуки – 29 Гц при длительности 1,1 милсек …рыба начинает уходить а затем возвращается, подплывая к сачку, раскрывая пасть.
Частота удержания окуня – 31 Гц при длительности 1,3 милсек. По-видимому, из-за то-го, что длина щуки больше, окуню надо ввалить больше.
Сазан выходил при частоте 18 Гц длительность 0,7 милсек. Отметили, что до этого там сазана не ловили. Карась выходил вместе с сазаном.
Терский усач выходил и шел против течения на 15 Гц длительность 0,5 милсек.
Во всех случаях лова напряжение было 500V».

Павел, тема: 1000 Гц. /инфа Владимира_Старого/. Отправлено: 16.12.2002 16:09:
«…Практически попробовал на воде. Щука очень хорошо шла прямо в сачок на частоте 8 Гц при скважности 6 и модулированными прямоугольными импульсами частотой 800 Гц скважностью 2 при напряжении 200 В меньше не предусмотрел, при 300 – 400 В не доходила до сачка».

Артур из Казахстана (из частной переписки):
«…преобразователь 300-700 вольт, фильтр — 50мкф, запир. 10мкф, Др. 60 вит альсифер 44*28*22, на ключ «классика», (tст ≈ 60 мксек – прим. мое – В.И.) ловит в любом диапазоне. На всех диапазонах f=50 Гц Rn=300wt, расстояние между ан/кат 5-7м:
I потр ступ.+выбр. Uпреобр. характеристика лова

8а 500в 290в плохо
11а 575в 330в слабо
13а 650в 370в крупный лещ (медленно)
16а 720в 410в крупная щука, лещ (медленно)
19а 790в 450в более-менее
22а 840в 480в пойдет
26а 890в 510в хорошо
29а 945в 540в очень хорошо
32а 980в 560в отлично
… поставил дроссель, дающий tст = 150мксек (Семеныч) и ровно удвоенный импульс по сравнению с Uпит, дает эффект которого я не ожидал. А именно — он еще и хорошо тянет рыбу с глубины. Cтарое русло р.Чидертинки, глубина 4.5-5метров, карпа пробовал, раньше не брал с такой глубины. В общем, на этом месте нажимая кнопку на 2 сек с интервалом 1 сек за три захода по заливу в одном и том же месте мы вытащили их 5 штук, все по 10.5 кг. А последний вышел в 3 метрах от сачка, нас немного пронесло, успели развернуться к нему и включил кнопку, так карп тоже ко мне развернулся и приплыл прямо к сачку».

Далее предложил Артуру попробовать апериодический импульс с параметрами f=60 Гц, tф=120мксек, tсп =0,4-1мсек. Для этого была немного доработана «классика». Привожу выдержку из его письма:
«…К своему аппарату я сделал приладу из двух дросселей заводских, и поменял дроссель внутри ЭУ на дроссель так, чтобы ступенька была равна 30 мксек. На выходе нагрузка через вышеуказанные дроссели, время нарастания переднего фронта импульса через один дроссель 130 мксек, через два 260 мксек. Полочку 30 мксек выбрал для того, чтобы в нарастающем переднем фронте не было куска вертикального нарастания.

Попробовал. Относительно моего импульса с выбросом на частоте 45-55 Гц — импульс с нарастанием 130 мксек тянет рыбу со всех сторон к себе лучше, но только карпообразных, щука норовит драпануть, ее плохо держит (мой с выбросом и tст = 60 мксек на 50-60 гц тянет хуже, но вылазит из воды все). 260 мксек собирает рыбу еще лучше, но за счет меньшей амплитуды импульса меньше радиус действия. Это данные по двум рыбалкам. На третью заменил свой дроссель, дающий tст=60 мксек и хороший выброс на tcт=105 мксек и выброс очень маленький — тянет рыбу хорошо на 45-55 Гц, но щука опять же норовит смыться. На большей частоте ее тоже тянет хорошо, но лещ парализуется не доходя до сачка. И на последнюю рыбалку намотал дроссель, дающий tст=150 мксек (ориентировался на Семеныча) амплитуда импульса равна 2Uпит. Заметил, что здесь каким-то образом скомбинировалось 260 мксек нарастания на первых двух рыбалках (хорошо тянет к сачку) и мой вариант tст=60 мксек плюс выброс (вылазит все). Карп 4-6 кг идет прямо к сачку, лещ, сорожка (так у нас называют чебака), частоту ставил разную, но весь лов происходит на частоте от 40 до 60 Гц, причем 40-50 Гц на карпообразных и окуня хорошо, но щука сваливает, а в промежутке 50-60 Гц все выходит к сачку. Мощность не превышает 200 Вт при использовании запирающей емкости 7,8 мкф и 240 Вт при 10 мкф».

Опять же, Артур из Казахстана (из письма от 04.05.04г.):
«… Я писал, что за зиму собрал классику на 450 вольт и «прямоуголку» с таким напряжением.
Про классику говорить не буду — она ловит, катод ей сделал двухметровый тросик от заземления, поэтому катод побольше, напряжение можно снизить, но 450 В по-моему хватает. К прямоуголке катод сделал 4,5 метра, вытягивает 130 Вт.
… хочу на следующий раз сделать его 6 метров (подымать напряжение не вижу смысла, т.к. габариты из-за емкостей увеличиваются до классики), чтобы полней использовать анод. Ловил 20мс период длительностью 2мс, пробовал 25мс — 2.5мс; 15мс — 1.5мс, но лучше всего 20мс -2мс. Видать рыбе привычная частота. Рыба медленнее выходит из воды, надо присматриваться, сачок из нержавейки 4мм обмотанный медью диаметр 33см, палку немножко увеличил до 180см так удобней. Теперь за сезон думаю, удастся воду точней промерить в округе. Общее впечатление осталось прежнее, не важно, каким импульсом, главное научиться ловить рыбу, а дальше кому как».

s_gpm, тема: Похвастайтесь последними уловами. Отправлено: 20.01.2004 22:27:
«… Ловил в обводном канале рыбхоза официально. Глубина — 40. 70 см (воду предварительно спустили). Ширина — 1. 2 м. Длинна -700 м. Сильно заилен. В январе, при средней температуре воздуха днем +8 (ночью 0..-2), сопротивление воды, измеренное по методике описанной на сайте, составило примерно б Ом. Попробовал использовать транзисторный ключ — сгорел на 2-й секунде. Поставил управляемый на 2-х тиристорах. Высоковольтный выброс не срезал. Использовал режимы Ti= 1.5 — 4 мс. Частота 10 — 60 Гц. U = 350-200 В. Пробовал 600 В, караси выбрасываются на берег. После недолгих экспериментов остановился на режиме 1,5 мс./30 Гц./350-200 В. (на более коротких импульсах ключ сбоит). Большой разницы не заметил.
За б час. с напарником прочесали весь канал. Улов — 250 кг разнокалиберных карасей, 5 кг — окуня, 2 ведра крупной красноперки, и главное — 9 сазанов весом от 1,5 до З кг, (один исключение — 5,3 кг.)

Этот ряд примеров мог бы продолжить еще, но я хотел бы перейти к тем выводам, к которым пришел, изучив материалы Форума, личной переписки и различной литературы, в том числе и научной.
Механизм возникновения двигательной реакции живых организмов и, в частности, рыб, я описывал уже в своих предыдущих статьях. Коротко напомню.
Генерация потенциала действия является не внешним проявлением, а самой сутью феномена возбуждения клетки. Именно с помощью потенциала действия нейроны получают, перерабатывают и передают биологически важную информацию из внешней среды, а также от одной клетки к другой, а мышечные клетки начинают сокращаться, а значит, обеспечивается двигательная активность органов.
Амплитуда потенциала действия (ПД) у каждой клетки является строго постоянной величиной. Длительность ПД может различаться на два порядка. Потенциал действия, распространяющийся от тела нервной клетки по ее длинному отростку — аксону — носит название нервного импульса.
Информация о силе раздражения нервной клетки кодируется и передается другим клеткам путем изменения частоты следования нервных импульсов. Частота следования может варьировать от единиц до сотни нервных импульсов в секунду. Частотный код предполагает сложную периодику следования нервных импульсов, в том числе группирование их в «пачки» с разным числом и характером следования сигналов.
Возбуждение возникает лишь в том случае, если сила воздействия достигла определенной величины, которую называют пороговой, и только после этого начинается генерация потенциала действия. Важно подчеркнуть, что приложение к клетке более сильных, чем пороговый, раздражающих стимулов, также приводит к возбуждению, но его характер останется таким же, как и при действии порогового стимула. В частности, амплитуда и длительность генерируемого потенциала действия остаются постоянными величинами независимо от величины сверхпорогового стимула (эта особенность генерации потенциала действия и возбуждения получила название закона «все или ничего»).
К числу возбудимых относятся все нервные, мышечные, железистые, а также рецепторные клетки органов чувств. При возбуждении клетки органы или системы органов переходят из состояния относительного физиологического покоя к активности. В нервных клетках (нейронах) возбуждение распространяется в виде нервного импульса по аксону и передается через синапсы к соседним клеткам, в том числе и мотонейронам. Возбуждение в нейронах и других клетках, как правило, сопровождается генерацией не одного, а целой серии импульсов (ПД). Информация о степени возбуждения, его характере кодируется частотой импульсов, их количеством и адресом, по которому идут сигналы. В мотонейронах генерируются свои ПД, которые возбуждают непосредственно мышечные клетки что приводит к сокращениям мышечных органов.

Приходящий электрический импульс взаимодействует с рецепторными белками постсинаптической мембраны, что приводит к возникновению локального ответа в виде постсинаптического потенциала (ВПСП).
В результате воздействия ВПСП в момент t1 (см. рис.) происходит деполяризация мембраны с уровня потенциала покоя (ПП) Uпп до критического уровня деполяризации (КУД) – Uкр за время

0,3 — 1,2 мс, после чего с задержкой

0,3 мс в момент t2 начинается лавинообразный экспоненциальный рост потенциала до уровня + 30÷40 mV за время

0,1÷0,5 мс (момент t3). Дальше происходит реверсия мембранного потенциала и начинается фаза реполяризации до уровня Uкр (опять же по экспоненте) за

0,5÷3,0 мс (момент t4). Полное восстановление ПП происходит после окончания следовых колебаний потенциала – отрицательный следовой потенциалследовая деполяризация – до t6; положительный следовой потенциалследовая гипероляризация – до t7. Длительность следовых потенциалов значительно превосходит длительность ПД (до 10 мс). В итоге мы имеем следующую картину:

t1 – t2 – период первичной деполяризации

t2 – t4 – (ПД собственной персоной) — период абсолютной рефрактерности

0,6÷3,5 мс (в этот период мембрана утрачивает полностью способность отвечать возбуждением на раздражение любой величины;

t4 – t5 – период относительной рефрактерности (возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя);

t5 – t6 – супернормальный период (возбуждение может возникнуть только при действии раздражителя подпороговой силы);

t6 – t7 – субнормальный период (возбуждение может возникнуть только при действии раздражителя сверхпороговой силы);

Обратите внимание, что приведенный импульс очень похож на рисунок, приведенный в последней статье (с отрицательной полуволной) – разряд С на R через L при критическом условии . Кстати, если преобразовать выражение , получим RC = 4*L/R, т.е. соотношение постоянных времени t C = 4 t L (вышеописанный ПД вписывается в эти «рамки»).
Наибольший интерес для нас представляет промежуток t2 – t4. Мы имеем 2-х экспоненциальный импульс с фронтом

0,1÷0,5 мс и срезом

0,5÷3,0 мс, который и воздействует непосредственно на мышечные волокна, заставляя их сокращаться. Отсюда я и сделал выводы, что апериодический импульс — наиболее оптимален для мышечного сокращения.
И в заключении мои предположения и выводы в пользу других форм импульсов.
Для хаpактеpистики pаздpажителя важно учитывать не только его силу, но и продолжительность действия — кривая — сила-длительность, которая описывает соотношение между длительностью различных применяемых стимулов и их амплитудой, необходимой для активирования нервных или мышечных волокон при данной продолжительности стимулов. Эта зависимость представляет собой гиперболу и имеет обратнопропорциональный характер. Математически это выглядит так:

Каждый электрик должен знать:  Линейное пространство сигналов

где I – порог интенсивности (например, сила тока, вызывающая определенную реакцию у данной рыбы);
a – константа, характеризующая количественный уровень раздражения (например, количество электричества или сила тока);
b – константа, характеризующая эффект длительного раздражения (реобаза);
t – значение временного фактора (хронаксия).
Из этого следует, что ток ниже некоторой минимальной силы или напряжения не вызывает возбуждение, как бы длительно он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающую способность они имеют.
Причиной такой зависимости является мембранная емкость. Очень «короткие» токи просто не успевают разрядить эту емкость до критического уровня деполяризации. Минимальная величина тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется «реобазой». Время, в течении которого должен действовать ток удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение, носит название «хронаксия». Оба эти порога имеют более высокие значения для мышечных волокон, чем для нервов.
При достаточной интенсивности импульс может вызвать прямое возбуждение мышц.
А теперь все вышесказанное рассмотрим на примерах различных форм импульсов.

Пары точек: t0 – Uимп 0; t1 – Uимп 1; t2 – Uимп 4 лежат на кривой U=f(t) причем Uимп 0 соответствуют «реобазе». Практически это — постоянный ток или напряжение, а t, при которой U= 2*Uимп 0 – «хронаксии». Это условие минимальной мощности.
При t2 – Uимп 1 – раздражение недостаточно для ответной реакции.
При t3 – также не будет ответной реакции, сколько бы не большой была величина Uимп 3.
При t1 – Uимп 2 — сверхпороговое раздражение — также приводит к возбуждению, но его характер останется таким же, как и при действии порогового стимула.
Сделайте так, чтобы при изменении длительности импульса его амплитуда менялась так, чтобы точка пересечения «лежала» на кривой «сила-длительность». А оптимальный вариант соотношения получится при минимальной потребляемой мощности.
Исследование показали, что для лова рыбы без повреждений, нужно задать минимальную частоту и увеличивать амплитуду, а при необходимости и длительность импульсов. Рекомендуемая последовательность для определения минимально необходимой мощности: 20Гц/2мс/100В -> 200В ->300В, потом 20Гц/4мс/100В -> 200В -> 300В, З0Гц/2мс/100В -> 200В -> 300В и т.д.. Но об этом уже писали на Форуме.


а) с учетом вышеизложенного, по моему мнению, «ступенька» создает предпороговый уровень возбуждения мышцы, а «выброс» и «спад» способствуют достижению порогового уровня возбуждения. Тем самым, завершают «работу» (Uвыбр 1, рис.2а). Если U=Uвыбр2 или длительность «спада» мала — может не возникнуть ответной реакции (здесь же уместно вспомнить выдержку из статьи Семеныча «Кое-что об уловистых дросселях и импульсах» о наблюдениях Василия и Slonicа, использовавших «классику», «… парадоксального факта, как очень резкое отличие уловистости при незначительном снижении на накопительной емкости (при 700 и 220 В отлично ловят, а при 650 и 210 – нет»);
б) если длительность импульса на уровне «ступеньки» достаточна для возбуждения мышцы, «выброс» уже никак не влияет на процесс возбуждения мышцы. Поэтому, наверное, и были высказывания на Конференции Данилы-мастера о том, что «выброс» в «классике» не играет никакой роли. Рыба ловится, даже если «выброс» срезать диодом.
в) здесь длительность «ступеньки» уже достаточна для возбуждения мышцы, «выброс» и все остальное не играет никакой роли (вернее играет, но уже в качестве «глушителя»). Надо или уменьшать длительность «ступеньки» или ее амплитуду.

Здесь на рис.3а t2 – Uимп 2 по силе воздействия равноценно, к примеру, «прямоугольнику» t1 – Uимп3 , т.е. точка лежит на кривой «время – длительность». А если снизить амплитуду «экспоненты» до Uимп1 , точка t1 – Uимп4 будет ниже этой кривой. Нужной реакции не получим. На рис.3б, думаю, понятно и без комментариев.

4. «Пачки» импульсов.

Аналогичны действиям «прямоугольников». Достаточно полно о механизме их воздействия на Форуме писал Павел. Есть так же хорошая статья в разделе «Разное».

Из вышесказанного следует, что ловить можно импульсами любой формы, подобрав параметры (при наличии оперативной и гибкой регулировки амплитуды, длительности, частоты). Отсюда вывод – необходим графический синтезатор формы импульсов, который хорошо описал URAZ в теме: Об оптимальной форме импульса. Отправлено: 09.03.2004 12:35 и UDAR в своей статье «Микроконтроллерный ключ» (раздел «Разное» на Форуме).

А в заключении под рубрикой «коротко об интересном» привожу заметку из журнала «Техника-молодежи», №2/98 «Откуда берутся вожаки-провокаторы»:
«…Кибернетик Йенс Балхен из Тронхеймского университета (Норвегия) изобрел способ управлять карпом, вживив в один его бок миниатюрный приемник, а в другой — передатчик. Когда приемник улавливает какой-либо из заранее установленного набора ультразвуковых сигналов, в нервной системе вольно плавающей рыбы возникает соответствующий электрический импульс: дойдя до головного мозга, он вынуждает ее передвигаться в определенном направлении. При этом передатчик постоянно сообщает оператору о своем точном местонахождении.
Цель описанного эксперимента — самая что ни на есть коварная! Если умастить радиофицированного карпа привлекательными для рыбьего племени пахучими веществами, рассуждает Балхен, то вслед за ним ринется целый косяк, ну а невольный «провокатор», повинуясь четким командам, заведет всю неразумную стаю в заранее расставленную сеть».

Удачи всем!
Виталий Иванович
zagnetkin@infotecstt.ru
11.05.2004 года

Дополнение (июнь 2004год)

Коротко попытаюсь объяснить почему при разных формах импульсов отличается амплитуда и длительность импульсов, с моей точки зрения..
Возьмем в качестве исходного импульса прямоугольник с параметрами: амплитуда А=1 у.е.а. (условная единица амплитуда — это может быть 1 ампер, 100 вольт или 300 вольт, как угодно); длительность импульса tимп= 1 у.е.в. (условная единица времени) — 500 мксек, 2 мсек и т.д.).
Количество электричества (в литературе нашел определение, что это соответствует импульсу тока) Q = I * tимп., т.е. это площадь прямоугольника и принимаем ее равной 1 у.е.п. (условной единице площади). В статье я уже приводил формулу I=a/t+b, где a – как раз и может быть величиной Q. Поскольку Q для каждой реакции – const, можно уменьшить амплитуду тока I, к примеру, вдвое, но при этом необходимо увеличить длительность tимп также вдвое, чтобы величина Q оставалась постоянной.
Я так предполагаю, что если «влить» то же количество электричества посредством другой формы тока, результат (т.е. реакция рыбы) будет тот же.
К примеру, равная по площади экспонента (импульс при разряде конденсатора) при той же амплитуде, что и прямоугольник, должна иметь постоянную времени разряда конденсатора τc = RC = tимп = 1 мс, откуда С = 1 мс / 100 Ом = 10 мкф или, допустим 5 мкф, но амплитуда тока должна быть в 2 раза больше. Зависимость здесь линейная. При этом конденсатор разряжается до 0 (100%) за время t=7,6*τc. Можно это время взять, равное 3÷5*τc (как это принято в электротехнике на уровне 0,1А). В этом случае величина разряда конденсатора составит 95,0-99,7% (соответственно).
Апериодический импульс представляет собой разницу двух экспонент с постоянными времени (в упрощенном виде) τc = RC и τL=L/R. При этом должно выполняться условие, что τc / τL > 4. Площадь апериодического импульса вычисляется через определенный интеграл, но я случайно обратил на такую закономерность (может она в математике и описана, что скорее всего так и есть, но я об этом не знал). Площадь «апериодики» S = 1 – 1 / k, где k = τС / τL. Я проверял это в MathCAD, все сходится. К примеру при k = 10 получим S = 0,9 (т.е 90% от площади прямоугольника с tимп = τС = RC). Чтобы S стала равна 1 у.е.п. амплитуду надо увеличить соответственно в 1,112 раза по отношению к «прямоугольнику» (т.е. на 11,2%).

«Классика» представляет собой площадь двух импульсов – «прямоугольника» и «апериодики». Рассчитать элементы «классики» (L, C, Rн) можно по методике из моей статьи Генератор импульсов для ЭУ на сайте у Roba или статьи Семеныча Кое-что об уловистых дросселях и импульсах (там же).

Юра -Uraz ловит прямоугольником. Выдержка из его последнего отчета: «…частота и длительность которая действует на рыбу. Вот что получилось. Минимальная частота удержания щуки – 29 Гц при длительности 1,1 милсек …рыба начинает уходить, а затем возвращается, подплывая к сачку, раскрывая пасть. Во всех случаях лова напряжение было 500V». К сожалению точное значение неизвестно, но для расчетов возьмем, к примеру, 100 Ом, что близко к его реальным условиям.
А теперь посчитаем, какие параметры должны быть у других форм импульсов (расчеты проведены на скорую руку, но думаю, ошибка лежит в пределах 10%) «персонально» для щуки.

«Экспонента». С = 8 мкф
τС = RC = 0,8 мс
UC = 500В * (tимп / τС ) = 500*(1,1/0,8) = 500*1,375 = 690 В, при С = 4 мкф — UC = 1380 В

«Апериодика». С = 4 мкф
Для получения рекомендуемого tф = 0,12 мс индуктивность должна быть L = 6,2 мГ что соответствует tсп = 1,765 мс на уровне 0,1 амплитуды

Не буду приводить подробные промежуточные расчеты, только основные.
С учетом переходных процессов:
τС = 0,323 мс; τL = 0,077 мс; km=f(τС/τL)=0,487
UАИ = 500*km = 500*0,487 = 243,5 В
k = τС / τL = 4,2;

SАИ = (1-1/k) = 0,76. Чтобы получить единицу надо увеличить амплитуду в 1,32 раза.
UАИ соответственно будет равно 243,5*1,32 = 320 В, а напряжение на выходе преобразователя UПР = 500 * 1,32 = 660 В.

«Классика» — tст = 0,15 мс, при С = 4 мкф, необходимо L = 0,53 мГ,
что соответствует tсп = 0,868 мс (на уровне 0,1 амплитуды)

τС = 0,395 мс τL = 0,005 мс
k = τС / τL = 79;
SАИ = (1-1/k) = 0,987, а с учетом «ступеньки» ≈ 1,0

Проанализировав результаты для других параметров (L, C, R) я пришел к выводу, что площадь импульса «классики» с погрешностью в десятые доли процентов равна площади «экспоненты» («дефицит» площади компенсируется ступенькой, хотя роль ступеньки совсем другая – об этом я писал в статье) с τС = RC, но с амплитудой UАИ = km*UC. Для нашего случая km = 0,94.

Т.к. tимп = 1,1 = 2,75*τС, амплитуда «экспоненты» должна быть = 500 * 2,75 = 1375 В

Тогда Uвыбр = 1375 * 0,94 = 1290 В

Uст ≈ 0,5*Uвыбр = 0,5 * 1290 = 630 В

Частота, по моему мнению, должна оставаться такой же, как и при использовании «прямоугольника». Возможно, ее придется чуть — чуть подрегулировать, а может — и нет. Тут я утверждать не берусь, хотя склоняюсь к первому варианту.

Можно провести «обратный» перерасчет с известных параметров, к примеру «классики» Василия, в «прямоугольник» с tимп = 1,1 мс.
Параметры «классики» Василия:
U = 220В Rн = 27 Ом C = 14 мкФ L = 0,15мГ

Получим следующее:
Uвыбр ≈ 2 * U = 440В, при этом km= 0,92
Uэкспоненты = 440 / 0,92 = 480В
τС = 0,372 мс τL = 0,006 мс (кстати, очень близки к параметрам, рассмотренным выше)
k = τС / τL = 62;
SАИ = (1-1/k) = 0,984
Т.к. tимп (1,1 мс) = 2,96*τС
Uпрямоугольника = 480 / 2,96 = 162В

Я думаю, что такая амплитуда «прямоугольника» вполне возможна для данного региона. В феврале 2002г. Pavlovich (живет в том же регионе, что и Василий) на сайте Данилы-Мастера писал: «…Прошлым летом пришлось мне ремонтировать уду на запираемом тиристоре. После ремонта решил посмотреть на вых. сигнал. Подключил в качестве нагрузки лампу накаливания 60Вт, бросил на осциллограф. Вых. сигнал имел форму меандра, но с верхушкой переднего фронта на 20-30% превышающей основной сигнал переходящей в экспоненту. Амплитуда основного сигнала была около 160 Вольт. В это время года я использовал уду с тиристорным ключем приблизительно P=500Вт и с U не менее 380В. (Я тоже с центральной Украины). Поэтому увиденное у меня вызвало только улыбку и убеждение, что конкурента на водоеме у меня не добавится. Какое же было мое удивление когда вечером принесли мне «оплату» за хлопоты. Оказывается, она ловит, и не плохо ловит, со слов хозяина лучше, чем моя. Мои попытки повторить форму импульса транзисторным ключем не увенчались успехом».
Позднее, в личной переписке Pavlovich написал мне: «…По памяти нарисовал Вам форму импульса. Измерение проводил при нагрузке на лампочку 60Вт. К сожалению, о длительности импульса ничего сказать не могу. По правде сказать, в то время я не придал этому значения, так как не верил, что эта уда может ловить».

Не знаю, насколько верны мои рассуждения по поводу «перерасчетов» одной формы импульса в другую. Только практика может подтвердить все это. Здесь я не затрагивал вопросы КПД, экономичности и т.д. Просто вопрос в том, что можно ловить рыбу без ущерба природе, правильно пересчитав для своих условий (региона) уже апробированные параметры той же формы импульса в других условиях (регионе) и ориентировочно определить (в первом приближении) параметры для другой формы импульса.

Импульсы, классификация, характеристика и параметры.

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 4761 ; Нарушение авторских прав

Под импульсом понимают кратковременное изменение напряжения или тока в электрической цепи. На рис.1.1 приведен пример реального импульса.

Основными характеристиками и параметрами импульсов являются:

2.Активная длительность импульса (измеряется на уровне 0,1А) ;

5.Искажение крыши импульса , которое оценивается отношением ;

6.Амплитуда обратного выброса ;

7.Длительность обратного выброса ;

8.Мощность импульса , где W – энергия импульса.

Периодически повторяющиеся импульсы образуют импульсную последовательность (рис.1.2). Она характеризуется следующими параметрами:

9.Частота импульсной последовательности , где ;

10.Коэффициент заполнения (диапазон изменения 0…1),

скважность (диапазон изменения от до 0)

11.Среднее значение импульса (см. Рис.1.3)

Импульсы имеют различную форму: прямоугольные, треугольные, трапециидальные, экспоненциальные и др. (рис.1.4), так же могут быть однополярными (а) и разнополярнми (б) (см. рис.1.5): однополярные импульсы могут быть положительными и отрицательными. Для получения импульсных последовательностей различной формы, частоты и амплитуды применяют специальные генераторы.

1.2 Прохождение импульсов через RC-цепи.

1.2.1 Напряжение и ток в RC-цепях под воздействием единичного скачка.

На вход RC-цепи (см. рис.1.6) поступает единичный скачок напряжения, изображённый на рис.1.7.

Рис. 1.6 -Принципиальная схема RC-цепи. Рис. 1.7 -График единичного скачка.

Определим реакцию цепи на единичный скачок, т.е. установим зависимости:

Уравнение скачка, т.е. напряжение на входе цепи описывается в виде:

Уравнение второго закона Кирхгофа для цепи имеет вид:

С учётом , , получим ;

Запишем дифференциальное уравнение описывающее RC-цепь в стандартном виде:

с начальными условиями , , . (1.1)

Решение такого дифференциального уравнения ищется в виде суммы свободной и вынужденной составляющих:

Свободная составляющая записывается в виде: , и описывает собственный переходной процесс в цепи при отсутствии возмущающего воздействия (т.е. при нулевой правой части уравнения), следовательно,

обозначив , запишем это уравнение в операторной форме:

Поскольку изменяется во времени переходного процесса по экспоненциальному закону, т.е. , то

, отсюда находим корень характеристического уравнения

Подставив его значение в уравнение свободной составляющей, получим:

, где , постоянная времени RC-цепи,

Вынужденная составляющая, обусловленная правой частью уравнения, имеет место после окончания переходных процессов (теоретически при , практически при ) определяется в виде:

Теперь запишем полное решение дифференциального уравнения:

В этом выражении неизвестной величиной является амплитуда A. Определим А из начальных условий:

Окончательное решение дифференциального уравнения имеет вид:

Зависимость при разных постоянных времени RC-цепи приведены на рис.1.8

Напряжение на выходе RC-цепи имеет вид:

Зависимости при различных значениях приведены на рис.1.9.

Поскольку , то (1.4)

Зависимость приведена на рис.1.10.

1.2.2 Дифференцирующая (укорачивающая) и разделительная RC-цепи.

Дифференцирующей цепью называют такую цепь, сигнал на выходе которой имеет значения, пропорциональные в каждый момент производной от входного сигнала. Следовательно, . Коэффициент К должен выражаться в секундах, в противном случае размерность левой и правой частей равенства не будет одинакова. Идеальным дифференцирующим устройством можно считать конденсатор С или катушку L. Например, при использовании конденсатора С можно считать входным сигналом напряжение на нём , а выходным – ток в цепи. Эти переменные связаны известным соотношением , т.е. ток в цепи пропорционален производной от входного напряжения. Однако использовать эту схему для практических целей нельзя, так как она не содержит элемента, который обеспечивал бы какую-либо регистрацию значений тока, измерение его значений.

Для того чтобы получить выходной сигнал в форме, удобной для наблюдения или регистрации, в цепь последовательно включают токочувствительный прибор с внутренним сопротивлением R. В простейшем случаи это может быть резистор R. Напряжение на котором пропорционально току .

Рассмотренная RC-цепочка может выполнять функции как дифференцирующей (укорачивающей) при , так и разделительной цепи, если .

На рис.1.11 показаны графики напряжений и такой цепочки.

Рассмотрим два режима:

I. Дифференцирующая цепь – , при этом возможны два варианта: а) ; б) ;

II. Разделительная цепь – , при этом также: а) ; б) ;

Рис. 1.11 — а) режим 1 – , б) режим 2 – .

I. Рассмотрим дифференцирующею цепочку под воздействием импульсной последовательности (рис.1.12).

Рис. 1.12 -Принципиальная схема укорачивающей RC-цепочки

При импульсе конденсатор С заряжается под воздействием зарядного тока , при паузе – разряжается, обуславливая разрядный ток . При этом .

Допустим ,тогда им можно пренебречь ( ).

Рассмотрим режим I, вариант а): , .

После окончания импульса (момент времени ) .

В период паузы ( ) разряд конденсатора С получается полный, т.к. ;

Значит получена идеальная дифференцирующая цепь. Следовательно для того чтобы цепь была дифференцирующей необходимо выполнение трёх условий:

При этом график напряжения при наличии импульсной последовательности на входе будет иметь следующий вид (рис.1.14):

Рис. 1.14 — График напряжения дифференцирующей цепи при наличии импульсной последовательности на входе.

Режим I, вариант б): , :

Графики напряжений и приведены на рис.1.15. В этом режиме с момента времени имеют место, в отличие от варианта а), новые начальные условия . Такой режим называют режимом негармонических возмущений.

В период импульса переходные процессы аналогичны рассмотренным в варианте а), а в период паузы конденсатор С не успевает разрядиться до нуля за время , поэтому нулевые начальные условия не выполняются и для дифференцирующей цепочки такой вариант неприемлем.

Режим II при , обеспечивает вариант разделительной цепочки.

В момент времени , после действия импульса, (см. рис.1.16) , а в момент времени имеют место нулевые начальные условия. Сигнал на выходе повторяет сигнал на входе. Следовательно, такая цепочка является разделительной

Режим II, при , , аналогичен варианту б) режима I, поскольку в момент времени также имеют место новые, ненулевые начальные условия (рис.1.17) (режим негармонических возмущений). Для разделительной цепи такой вариант неприемлем.

1.2.3 Реальные RC-цепи при импульсном воздействии.

В рассмотренных ранее разделах работа RC-цепи была приведена для идеализированного случая: длительность фронта входного импульса полагали равной нулю, а выходное сопротивление генератора и паразитную ёмкость нагрузки — предельно малыми. В действительности же все эти величины конечны. Одновременный учёт их затруднён. Оценим влияние сопротивления генератора , как наиболее существенное (см. рис.1.18).

Рис. 1.18 — Принципиальная схема RC-цепи с учётом генератора

С учётом внутреннего сопротивления генератора напряжение на входе RC-цепочки будет меньше Э.Д.С. генератора E, на величину потерь напряжения на внутренне сопротивлении генератора.

При значении сопротивления , напряжение . Следовательно, обеспечивая реальную цепь можно практически считать идеальной.

1.3 Фиксаторы уровня в дифференцирующих RC-цепях.

Входные импульсные последовательности как правило однополярные, а импульсные последовательности на выходе рассмотренных цепей, как правило двухполярные. Часто возникает необходимость обеспечения на выходе RC-цепей однополярных последовательностей. Такое преобразование осуществляется с помощью фиксаторов уровня.

Фиксаторы уровня можно разделить на несколько подгрупп. В зависимости от того, какова полярность импульсов, должна быть на выходе, различают фиксаторы уровня положительных и отрицательных импульсов, а также фиксаторы уровня биполярных сигналов. В зависимости от того, на каком уровне требуется зафиксировать положение импульса (по уровню основания импульса или по уровню его вершины), различают фиксаторы начального уровня и фиксаторы вершины импульсов.

Простейший вариант фиксатора нулевого уровня положительных импульсов представлен на рис.1.20. На вход поступает импульсная последовательность положительных импульсов. В течение импульса происходит заряд конденсатора С от источника Э.Д.С. E током .

Рис. 1.20 — Принципиальная схема фиксатора нулевого уровня положительных импульсов

Постоянная времени цепи заряда определяется выражением:

, то получим ориентировочное значение постоянной времени заряда цепочки .

При наличии импульса происходит заряд конденсатора, а разряд происходит в течение паузы. При этом постоянная времени разряда

Часто выполняется условие , тогда .

Поскольку сопротивление , то постоянная времени .

Следовательно, применение диода VD ускоряет разряд конденсатора. Напряжение на конденсаторе С приведено на рис.1.21.

Напряжение на выходе фиксатора . В момент времени его величина определяется выражением:

поскольку сопротивление диода , то напряжение ; (см. рис.1.22).

Фиксатор нулевого уровня отрицательных импульсов строится аналогично (см. рис. 1.23), причём диод VD1 включается в противоположном направлении.

Рис. 1.23 — Принципиальная схема фиксатора нулевого уровня отрицательных импульсов

Применение диода VD1 ускорит заряд конденсатора ( );

Рис. 1.25 Рис. 1.24

Схема фиксатора произвольного уровня для положительных импульсов приведена на рис.1.26.

Рис. 1.26 — Принципиальная схема фиксатора положительных импульсов произвольного уровня.

Источник опорного напряжения обеспечивает изменение напряжения в пределах ;

Когда , что имеет место в период действия, импульса диод VD1 заперт и конденсатор С заряжается (ток ).

Если , (период паузы) диод VD1 открыт и конденсатор С разряжается (ток ).

Напряжение и на выходе фиксатора приведены на рис.1.27. Выходное напряжение фиксатора аналогично напряжению приведенному на рис.1.22, только зафиксировано не на «0» уровне, а на уровне .

Схема фиксатора произвольного уровня для отрицательных импульсов приведена на рис.1.28.

Рис. 1.28 — Принципиальная схема фиксатора отрицательных импульсов произвольного уровня.

Осциллограммы иллюстрирующие работу схемы приведены на рис.1.29.

1.4 Интегрирующие RC-цепи.

Интегрирующей цепью называют четырёхполюсник, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала. В случае, когда входной и выходной сигналы выражаются в одинаковых единицах (например, в единицах напряжения), операцию, выполняемую интегрирующей цепью, можно записать в виде соотношения:

где К – коэффициент пропорциональности, имеющий разрядность с -1 .

На рис.1.30 приведена принципиальная схема интегрирующей цепи. Пусть , что практически имеет место при цепи;

Рис. 1.30 — Принципиальная схема интегрирующей RC-цепи.

Интегрирующие цепи часто применяют для удлинения импульсов или для получения напряжения, изменяющегося по закону, близкому к линейному.

Для интегрирующей цепи:

значение тока в цепи .

Подставив значение тока в формулу , получим:

Для получения идеальной интегрирующей цепи необходимо, чтобы выполнялось условие , тогда получим:

Для того, чтобы обеспечить низкий коэффициент передачи цепи, т.е. ( ), необходимо обеспечить условие (см. рис.1.31).

Угол наклона прямой на выходе интегрирующей цепи пропорционален амплитуде интегрируемого напряжения (импульса) и обратно пропорционален постоянной времени цепи .

Следовательно для того чтобы цепочка точно интегрировала необходимо выполнение следующих условий:

В период действия импульса ( ):

В момент времени напряжение на выходе цепи будет:

Погрешности интегрирующей цепи:

На рис.1.32 показано выходное напряжение интегрирующей RC-цепи, где:

1. Реальное напряжение интегрирующей цепи .

2. Напряжение на выходе идеального интегратора;

При цепочка работает практически без погрешности.

Определим максимальную погрешность, имеющую место в конце импульса.

где — максимальное значение абсолютной и — относительной погрешности.

Значение погрешности при составит:

Возможно провести оценку погрешности в другом виде:

– для реального интегратора, а

– для идеального интегратора.

Подставив значение , выраженное через , получим:

Упростив выражение, при выполнении условия , получим ориентировочное значение относительной погрешности интегрирующей цепи: . Если , то .

Недостатки интегрирующих RC-цепей:

1) если велико (сотни миллисекунд и более) то требуется получения больших постоянных времени (десятки секунд), что неконструктивно;

2) При больших значениях С и R цепи затрудняется её согласование с сопротивлением нагрузки, что увеличивает погрешность цепи.

В таких случаях целесообразно применять интеграторы на операционных усилителях (ОУ). Схема интегратора приведена на рис.1.33.

Рис. 1.34 — Принципиальная схема интегрирующей RC-цепи с применением ОУ

Для данной схемы, пренебрегая входным током ОУ в соответствие с I-м законом Кирхгофа для инвертирующего входа усилителя получим:

отсюда следует: + начальные условия;

Начальные условия на выходе усилителя можно задавать с помощью схемы установки нуля ОУ, а изменять постоянную времени интегрирования переключением конденсатора С.

| следующая лекция ==>
ФОРМИРОВАТЕЛИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ | Диодные ограничители последовательного и параллельного типа.

Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

Электрический импульс

Электрический импульс — кратковременный всплеск электрического напряжения или силы тока в определённом, конечном временном промежутке. Различают видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески высокочастотных колебаний. Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от нулевого потенциала) и двухполярные.

Содержание

Форма импульсов

Важной характеристикой импульсов является их форма, визуально наблюдать которую, можно, например, на экране осциллографа. В общем случае форма импульсов имеет следующие составляющие: фронт — начальный подъём, относительно плоская вершина (не для всех форм) и срез (спад) — конечный спад напряжения. Существует несколько типов импульсов стандартных форм, имеющих относительно простое математическое описание, такие импульсы широко применяются в технике

  • Прямоугольные импульсы — наиболее распространённый тип
  • Пилообразные импульсы
  • Треугольные импульсы
  • Трапецеидальные импульсы
  • Экспоненциальные импульсы
  • Колокольные (колоколообразные) импульсы
  • Импульсы, представляющие собой полуволны или другие фрагменты синусоиды (обрезка по горизонтали или по вертикали)

Кроме импульсов стандартной, простой формы иногда, в особых случаях, используются импульсы специальной формы, описываемой сложной функцией, существуют также сложные импульсы, форма которых имеет в значительной степени случайный характер, например, импульсы видеосигнала.

Параметры импульсов

В общем случае импульсы характеризуются двумя основными параметрами — амплитудой (размахом — разностью напряжений между пьедесталом и вершиной импульса) и длительностью (обозначается τ или tи). Длительность пилообразных и треугольных импульсов определяется по основанию (от начала изменения напряжения до конца), для остальных типов импульсов длительность принято брать на уровне напряжения 50 % от амплитуды, для колоколообразных импульсов иногда используется уровень 10 %, длительность искусственно синтезированных колоколообразных импульсов (с чётко выраженным основанием) и полуволн синусоиды часто измеряется по основанию.

Для разных типов импульсов также вводят дополнительные параметры, уточняющие форму или характеризующие степень её неидеальности — отклонения от идеальной. Например, для описания неидеальности прямоугольных импульсов используются такие параметры, как, длительности фронта и среза (спада) (для идеального прямоугольного импульса они равны нулю), неравномерность вершины, а также размер выбросов напряжения после фронта и среза, возникающих в результате переходных паразитных процессов.

Спектральное представление импульсов

Кроме временного представления импульсов, наблюдаемого по осциллографу, существует спектральное представление, выраженное в виде двух функций — амплитудного и фазового спектра.

Спектр одиночного импульса является непрерывным и бесконечным. Амплитудный спектр прямоугольного импульса имеет чётко выраженные минимумы по шкале частот, следующие с интервалом, обратным длительности импульса.

Импульсные посылки (серии импульсов)

Иногда импульсы используются или возникают не поодиночке, а группами, которые называются сериями импульсов или импульсными посылками, в том случае, когда они формируются преднамеренно для передачи куда-либо. Импульсная посылка может нести какую-либо информацию единичного характера или служить в качестве идентификатора. Информационные посылки прямоугольных импульсов, в которых значимыми величинами являются количество импульсов, их временное расположение или длительности импульсов называются кодово-импульсными посылками или, в некоторых областях техники, кадрами, фреймами. Кодирование информации в посылках может быть осуществлено разными способами: двоичный цифровой код, время-импульсный код, код Морзе, набор заданного количества импульсов (как в телефонном аппарате). Во многих случаях импульсные посылки используются не поодиночке, а в виде непрерывных последовательностей посылок.

Импульсные последовательности

Импульсной последовательностью называется достаточно продолжительная последовательность импульсов, служащая для передачи непрерывно меняющейся информации, для синхронизации или для других целей, а также генерируемых непреднамеренно, например, в процессе искрообразования в коллекторно-щёточных узлах. Последовательности подразделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через строго одинаковые интервалы времени. Длительность интервала называется периодом повторения (обозначается T), величина, обратная периоду — частотой повторения импульсов (обозначается F). Для последовательностей прямоугольных импульсов дополнительно применяются ещё две однозначно взаимосвязанных друг с другом параметра: скважность (обозначается Q) — отношение периода к длительности импульса и коэффициент заполнения — обратная скважности величина; иногда коэффициент заполнения используют и для характеристики квазипериодической и случайной последовательностей, в этом случае он равен среднему отношению суммы длительностей импульсов за достаточно большой промежуток времени к длительности этого промежутка. Спектр периодической последовательности является дискретным и бесконечным для конечной последовательности, конечным для бесконечной. Среди непериодических последовательностей с, технической точки зрения, наибольший интерес представляют квазипериодические и случайные последовательности (на практике используются псевдослучайные). Квазипериодические последовательности представляют собой последовательности импульсов, период которых или другие характеристики варьируются вокруг средних значений. В отличие от спектра периодической последовательности, спектр квазипериодической последовательности является, строго говоря, не дискретным, а гребенчатым, с незначительным заполнением между гребнями, однако, на практике этим иногда можно пренебречь, так, например, в телевизионной технике для создания полного видеосигнала к сигналу чёрно-белого изображения добавляют сигнал цветности таким образом, что гребни его спектра оказываются между гребнями чёрно-белого видеосигнала.

По характеру информации импульсные сигналы могут использоваться однократно (разовое сообщение о событии) или для непрерывной передачи информации. Последовательности импульсов могут передавать дискретизированную по времени аналоговую информацию или цифровую, возможны также случаи, когда в единый, в физическом смысле, сигнал вложено два вида информации, например, телевизионный сигнал с телетекстом.

Для представления информации используются различные характеристики как собственно импульсов, так и их совокупностей, как по отдельности, так и в сочетаниях

  • Форма импульсов
  • Длительность импульсов
  • Амплитуда импульсов
  • Частота следования импульсов
  • Фазовые соотношения в последовательности импульсов
  • Временные интервалы между импульсами в посылке
  • Позиционное комбинирование импульсов в посылке

Таким образом, можно выделить несколько обобщённых типов импульсных сигналов, несущих непрерывную информацию

  • Цифровой сигнал, информация в котором, как правило (но не обязательно), содержится в виде кодовых посылок
  • Аналоговый дискретизированный сигнал в виде квазипериодической последовательности
  • Аналоговый дискретизированный сигнал в виде импульсных посылок с аналоговым кодированием информации
  • Отдельно от предыдущих типов надо выделить видеосигнал (и соответствующий ему модулированный радиосигнал), в котором, в отличие от других сигналов, непрерывная информация содержится внутри самого импульса, благодаря его сложной форме

ИМПУЛЬСНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАРОТАЖНОГО КАБЕЛЯ

Когда дело доходит до разбора конкретных случаев, все оказывается сложнее.

Альбер Камю. Физик, ХХ в.

Содержание: 14.1. Индекс неопределенности кабеля. Принцип неопределенности. Ограничения передачи сигналов. 14.2. Оптимальная форма сигналов. 14.3. Кодовые сигналы. Литература.

Импульсная пропускная способность кабеля, равно как и возникающие при этом искажения передаваемых сигналов, полностью определяются передаточной функцией жил. Однако передаточная функция, как индивидуальная характеристика жилы определенной длины, мало пригодна для сопоставления эффективности различных методов кодирования данных и сравнения различных типов кабелей по скорости передачи данных. Для этих целей желательно иметь нормированную числовую характеристику.

14.1. Индекс неопределенности кабеля [23]

Все дальнейшие вычисления проводятся на кабеле, согласованном с нагрузкой, если отклонения от согласованности специально не оговорены.

Принцип неопределенности. Эффективная длительность произвольного импульсного сигнала (или импульсного отклика линейной системы) и эффективная ширина его спектра (передаточной функции системы) связаны определенным постоянным соотношением. Чем меньше длительность сигнала (отклика), тем больше ширина его спектра. Согласно принципу неопределенности, для любого сигнала и системы должно выполняться соотношение:

D T DW і 1/ p , (14.1.1)

где D T – длительность сигнала (или импульсного отклика системы), DW — ширина спектра сигнала (полоса пропускания системы), при условии, что мерой эффективной длительности сигнала и эффективной ширины спектра служат вторые моменты функций распределения сигнала и спектра, т.е. средние квадратические отклонения от центра временного распределения сигнала и от центра спектрального распределения (последний, при двустороннем распределении относительно нуля частот, равен нулю). Для произвольной системной функции h(t) Ы H( w ), заданной на интервале 0 — Ґ , значения D T и DW определяются по формулам:

( D T) 2 = 4 Ч , (14.1.2)

( DW ) 2 = 4 Ч . (14.1.3)

В таблице 14.1.1 приведены расчетные значения параметров кабеля, вычисленные по вышеприведенным формулам. Полная физическая длительность импульсного отклика в первом приближении должна приниматься равной 2 D T, а ширина спектра (с учетом отрицательных частот) равной 2 DW . В области реальных (только положительных) частот параметр DW может отождествляться с реальной полосой пропускания системы (реальной шириной спектра сигнала).

Таблица 14.1.1. Импульсные параметры кабелей.

Тип кабеля и ТПЖ

МБК, жила-броня

МБК, жила-жила

Длина кабеля, км.

D T k отклика, мкс.

DW k отклика, кГц.

Индекс D T k DW k

Ограничения передачи сигналов. В принципе, индекс неопределенности кабеля D T k DW k , равно как и входящие в него параметры D T к и D W к , не устанавливают каких-либо жестких ограничений по импульсной пропускной способности кабеля, особенно для импульсных сигналов, так как она существенно зависит как от системы формирования импульсных последовательностей и, соответственно, определенных априорных данных для идентификации сигналов на выходе кабеля, так и от уровня статистических шумов линии передачи сигналов. Однако следует учитывать, что при передаче импульсов с DW > DW к система приводит (в той или иной мере) индекс неопределенности сигналов к собственному индексу неопределенности, а при установленном значении DW k системы это накладывает ограничения на длительность импульсов. При этом различают полнометрическую, параметрическую и кодовую передачу сигналов.

При полнометрической передаче на выходе кабеля требуется сохранить форму входных сигналов, что, естественно, возможно только с определенной погрешностью и только для сигналов, эффективная ширина спектра которых минимум на порядок ниже ширины спектра передаточной функции кабеля и достаточно быстро затухает. В общем случае, возможность восстановления сигналов на выходе кабеля методами частотной коррекции передаточной функции кабеля, а равно и погрешность восстановления, определяется безвозвратными потерями высокочастотных информационных составляющих сигналов. С учетом этого импульсный сигнал произвольной формы без скачков и угловых изломов может быть восстановлен на выходе кабеля, если эффективная ширина его спектра не превышает эффективной ширины спектра кабеля, а сам сигнал задается на интервале не менее 2 D T k с выходом на нулевые значения по его краям и длительность его фронтов не меньше длительности фронта импульсного отклика кабеля (по уровням 0.1 и 0.9 амплитудных значений).

При параметрической передаче сигналов кабель должен обеспечивать линейную передачу определенных параметров сигналов и достаточно точное измерение их значений на выходе кабеля. К ним обычно относятся: амплитудные значения, значения площади (энергии) сигналов или временные интервалы между сигналами. По существу, это частный и достаточно упрощенный вариант полнометрической передачи произвольных сигналов. Без восстановления формы сигналов минимальный временной интервал следования сигналов при определениях амплитуд и площадей (энергии) определяется длительностью спада импульсного отклика кабеля (до требуемых значений остаточной реакции на предыдущий импульс). При использовании систем коррекции (восстановления) сигналов форма и входных, и выходных сигналов (после коррекции) может быть произвольной. При формировании входных сигналов на интервале не менее 2 D T k точность измерений может быть не менее 1%.

Идентификация кодовых сигналов гарантирована при любой форме приема сигналов (с коррекцией и без коррекции) и при любой форме входных сигналов, задаваемых на интервале 2 D T k . При использовании корректоров сигналов битовый интервал может быть сокращен до D T k , а при априорно известном интервале битовых посылок и жесткой структуре кодовых слов – и еще более.

Как видно из данных, приведенных в таблице 14.1.1, каротажные кабели имеют довольно низкие параметры пропускания импульсных сигналов. Кроме того, все вышеизложенное не учитывает уровня статистических кабельных помех, которые могут значительно усложнить прием сигналов.

Рис. 14.1.1. Форма и спектры однополярных импульсов.

На рис. 14.1.1(А, В) для жил кабеля КГ 3х0.75-60-150 длиной 5 км приведена форма двух типов импульсов, полярных по своим индексам неопределенности, в границах интервала 2 D Т к кабеля (граница интервала выделена вертикальным пунктиром). Прямоугольный импульс из всех типов простых импульсов имеет наибольший индекс неопределенности. У треугольного сигнала индекс неопределенности только на 10% больше индекса гауссовских сигналов, имеющих предельно возможный минимальный индекс 1/ p . Эффективная длительность сигналов установлена такой, чтобы при свертке с импульсным откликом жилы амплитуды импульсов на выходе кабеля были примерно равными, что позволяет наглядно сравнить качество передачи данных сигналов по кабелю. На рис. 14.1.1(C) приведены модули спектров сигналов в высокочастотной области в сравнении с модулем передаточной функции жилы. Для наглядности сравнения спектры нормированы по максимальным значениям к 1.

Таблица 14.1.2. Параметры однополярных сигналов на нагрузке кабеля КГ 3х0.75-60-150.

Глава 11. ФОРМИРОВАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

ВИДЫ ГЕНЕРАТОРОВ -ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

В § 9.3 рассмотрены процессы формирования импуль­сов линейными -цепями: дифференцирующей и ин­тегрирующей. Однако параметры полученных при этом импульсов (длительность, амплитуда, крутизна фронта и среза) часто не удовлетворяют практическим требова­ниям. Кроме того, на входы таких цепей необходимо по­давать импульсы с вполне определенными параметрами.

Задача формирования электрических импульсов и других видов сигналов решается с помощью специальных формирователей или генераторов, относящихся к классу нелинейных устройств.

Для создания электрических импульсов служат им­пульсные генераторы. Они широко применяются в радио­локации, радиосвязи, телевидении, вычислительной техни­ке и т. д. Длительность генерируемых импульсов может составлять от единиц наносекунд до сотен миллисекунд при скважности от двух до десятков и сотен тысяч. По способу возбуждения различают импульсные генераторы с самовозбуждением (автоколебательные), внешним, или посторонним возбуждением и генераторы, работающие в ждущем, или заторможенном режиме.

Ждущие импульсные генераторы отличаются от им­пульсных генераторов с внешним возбуждением тем, что параметры импульсов, генерируемых ждущими генера­торами, практически не зависят от формы внешних (за­пускающих) импульсов.

Для выполнения условия самовозбуждения в гене­раторе создается цепь положительной обратной связи. Для обеспечения работы в ждущем режиме применяются специальные схемотехнические меры, вследствие чего цепь ПОС начинает действовать только после подачи на вход генератора запускающего импульса.

Отличительной особенностью большинства генерато­ров импульсов является наличие двух устойчивых со­стояний равновесия. Переход из одного устойчивого со­стояния в другое осуществляется не плавно, а скачко­образно и имеет лавинообразный характер в начальной стадии. Такой процесс называется регенеративным, а устройства, работа которых основана на использовании этого процесса,— регенеративными. Регенеративные устройства позволяют генерировать прямоугольные импульсы с высокой крутизной фронта и среза и форми­ровать перепады напряжений и токов.

Все регенеративные генераторы можно подразделить на две группы:

спусковые устройства, или триггеры, которые не содер­жат реактивных элементов, и переход из одного устойчи­вого состояния в другое происходит под воздействием управляющего напряжения;

релаксационные генераторы импульсов, содержащие не менее одного реактивного элемента (обычно конденса­тор), выполняющего роль накопителя энергии. В таких генераторах регенеративные (лавинообразные) процессы чередуются с релаксационными, т. е. относительно медлен­ными изменениями энергии накопителя. Разновидностями релаксационных регенеративных генераторов импульсов являются мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы, фантастронные генераторы.

В настоящее время получили широкое распростране­ние генераторы импульсов на ИМС — операционных уси­лителях и логических элементах, что обусловлено просто­той осуществления в этих ИМС положительной обрат­ной связи.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибраторы применяются для генерирования прямоугольных импульсов в тех случаях, когда нет жест­ких требований ких длительности и частоте повторения.

Мультивибраторы на дискретных элементах.Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 11.1,а. Он представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной ОС, замкнутый в кольцевую схему: выход первого усилителя соединен со входом второго, а выход второго — со входом первого. Если Rк1 = Rк2, Rб1 = Rб2 и С1 = С2,то мульти­вибратор называют симметричным.

Рис. 11.1. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями (а) и

графики напряжений на электродах транзисторов (б)

При подключении источника питания токи проходят через оба транзистора VT1 и VT2. Одновременно начи­нается зарядка конденсаторов С1 и С2. Напряжения на конденсаторах иС1 и иС2 нарастают по экспоненциальному закону.

По мере увеличения коллекторных токов транзисторов повышаются и коэффициенты усиления плеч (т. е. первого и второго усилительных каскадов) мультивибратора. Пока βК 1 это приведет к возникновению регенеративного процесса. Действительно, пусть коллекторный ток IК1 транзистора VT1 будет больше коллекторного тока IК2 транзистора VT2. Это вызовет уменьшение коллекторного напряжения транзистора VT1, которое передается через конденсатор С1 на базу транзистора VT2 и приводит к уменьшению коллекторного тока IК2 этого транзистора. Уменьшение тока IК2 сопровождается увеличением коллекторного на­пряжения транзистора VT2, которое через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит к еще большему увеличению коллекторного тока IК1, уменьшению коллекторного напряжения транзистора VT1 и т. д.

Рассмотренный процесс можно более кратко пред­ставить в виде такой символической записи:

Процесс увеличения коллекторного тока IК1 и уменьше­ния коллекторного тока IК2вследствие действия положи­тельной ОС носит лавинообразный характер и заканчи­вается переходом транзистора VT1 в режим насыщения, а транзистора VT2 — в режим отсечки.

При открытом и насыщенном транзисторе VT1 кон­денсатор С1 оказывается подключенным через малое со­противление rКЭ1 между базой и эмиттером транзистора VT2. При этом отрицательное напряжение иБЭ2= –– иС1 поддерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии. В таком состоянии, которое называется временно устой­чивым или квазиравновесным, мультивибратор будет находиться в течение времени, определяемого переза­рядкой конденсатора С1 по цепи:

В это же время происходит зарядка конденсатора С2 по цепи:

Обычно элементы Rк и Rб выбирают так, чтобы про­цесс зарядки конденсатора протекал быстрее, чем про­цесс их перезарядки. Поэтому конденсатор С2 успеет зарядиться до значения коллекторного напряжения за­крытого транзистора VT2, которое примерно равно + Еп. После окончания зарядки С2 транзистор VT1 будет удер­живаться в режиме насыщения за счет протекания тока базы IБ1 = IБ нас = Eп / Rб1.

По мере перезарядки конденсатора C1 напряжение иС1 увеличивается и в некоторый момент достигает нуле­вого значения. С этого момента транзистор VT2 начнет открываться, его коллекторное напряжение иКЭ2умень­шается и в мультивибраторе замыкается цепь ПОС, вы­зывающая лавинообразный процесс изменений токов и напряжений:

Этот процесс заканчивается запиранием транзистора VT1 и переходом в режим насыщения транзистора VT2.

Мультивибратор переходит во второе квазиустойчи­вое состояние равновесия, в котором начинается зарядка конденсатора CJ по цепи:

и перезарядка конденсатора С2 по цепи:

Транзистор VT1 будет поддерживаться в закрытом со­стоянии напряжением uC2,которое подключается через малое сопротивление rКЭ2 между его базой и эмиттером минусом к базе. Такое квазиустойчивоё состояние будет сохраняться до тех пор, пока напряжение иС2 не достигнет нулевого значения. С этого момента начнет развиваться новый лавинообразный процесс изменений токов и напря­жений, который приведет к отпиранию транзистора VT1 и запиранию VT2.

Графики изменений коллекторных и базовых напря­жений мультивибратора показаны на рис. 11.1, б.

Время закрытого состояния транзистора VT1 или длительность положительного импульса, снимаемого с выхода 1, определяется перезарядкой конденсатора С2 и рассчитывается по приближенной формуле:

В симметричном мультивибраторе при С1 = С2 = С

Мультивибратор, схема которого показана на рис. 11.1, а, называют мультивибратором с коллекторно-базовыми связями и положительной базой. Если резисторы Rб1 и Rб2 включить между базами транзисторов и отри­цательным полюсом источника Еп,то получится мульти­вибратор с коллекторно-базовыми связями и нулевой базой. Он обладает меньшей стабильностью длительности и периода повторения импульсов.

Для улучшения формы импульсов в мультивибратор вводят фиксирующие (рис. 11.2, а)или отсекающие (рис. 11.2, 6)диоды. В мультивибраторе с фиксирующими диодами

Рис. 11.2. Схемы мультивибраторов с коллекторно-базовыми связями с фиксирующими (а) и отсекающими (б) диодами

коллекторное напряжение увеличивается не до уровня Еп, а до уровня Еф U 1 пор. Пока идет зарядка конденсатора С1, конденса­тор С2 успевает практически полностью разрядиться через выходное сопротивление R 0 вых открытого ЛЭ2 и диод VD1.

Когда напряжение на резисторе R2 достигнет поро­гового, ЛЭ2 начнет закрываться. Увеличение напряжения на выходе 2 через конденсатор С2 будет передано на вход ЛЭ1 и вызовет его отпирание. При этом произойдет уменьшение напряжения на выходе 1, которое через конденсатор С1 будет передано на вход ЛЭ2 и приведет к дальнейшему уменьшению протекающего через него тока. Таким образом, замыкается петля положительной ОС и происходит «опрокидывание» (т. е. переход из одного квазиравновесного состояния в другое) мультивибратора. После опрокидывания ЛЭ1 окажется открытым, а ЛЭ2 — закрытым. Начнется зарядка конденсатора С2 и разрядка конденсатора С1.

На рис. 11.4, а приведена схема мультивибратора на операционном усилителе (ОУ). Рассмотрим его работу.

Рис. 11.4. Схема мультивибратора на ОУ (а) и графики изменений напряжений на конденсаторе и выходе мультивибратора (б)

В момент подключения мультивибратора к источникам питания иС = U (–) вх= 0, а состояние ОУ является неопре­деленным. Предположим, что в этот момент ивых = = Uвых mах. Следовательно, на неинвертирующем входе ОУ действует положительное напряжение U (+) вх mах = Uвых mах • R1 / (R1 + R2),а конденсатор С заряжается через резистор R3. При увеличении напряжения на конденсаторе до значе­ния, близкого к U (+) вх mах, ОУ выходит из режима насыще­ния, вступает в действие положительная ОС и начинается лавинообразный процесс переключения («опрокидыва­ния»), в результате которого на выходе ОУ устанавли­вается минимальный нижний уровень напряжения ивых = Uвых min, и напряжение на неинвертирующем входе при­нимает значение U (+) вх min = Uвых min • R1 / (R1 + R2). Конден­сатор С начинает перезаряжаться через резистор R3. При уменьшении напряжения иС до значения, близкого к U (+) вх min происходит «обратное опрокидывание» и т. д.

Графики выходного напряжения и напряжения на конденсаторе, иллюстрирующие работу мультивибратора, показаны на рис. 11.4, б.

ОДНОВИБРАТОРЫ

Одновибраторы используются для получения прямо­угольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в ка­честве устройств задержки, делителей частоты и для дру­гих целей.

Одновибратор обладает одним устойчивым состоя­нием, в котором может находиться сколь угодно долго, пока к нему не будет приложено внешнее напряжение, переводящее его в квазиустойчивое состояние. Переход из квазиустойчивого состояния в устойчивое осуществля­ется в одновибраторе самостоятельно.

Одновибраторы на дискретных элементах.Одновибра­тор можно получить из автоколебательного мультивибра­тора, если одно из его квазиустойчивых состояний пре­вратить в устойчивое. На рис. 11.5, а показана схема

Рис. 11.5. Схема одновибратора на БТ с коллскторно-базовыми связями (а) и

графики напряжений на электродах транзисторов (б)

одновибратора с коллекторно-базовыми связями, а на рис. 11,5,б временные диаграммы напряжений, поясняю­щие его работу.

Резисторы R1, R2 и Rк2 выбираются такими, что на­пряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 оказывается отрицательным. Поэтому в исходном состоя­нии этот транзистор закрыт. На базу транзистора VT2 через резистор Rб подается положительное напряжение. Транзистор VT2 вследствие этого открыт и насыщен.

Входной отрицательный импульс через разделительную цепь CpRpи отсекающий диод VD1 подается на базу тран­зистора VT2. Ввиду накопленных в базе зарядов неоснов­ных носителей транзистор VT2 не может сразу закрыться, и начинается процесс рассасывания неосновных носите­лей. Через время tрас транзистор VT2 окажется на границе режима насыщения и под действием отрицательного входного импульса, приложенного к базе VT2, коллектор­ный ток транзистора VT2 начнет уменьшаться, а кол­лекторное напряжение иКЭ2— увеличиваться. Увеличение напряжения иКЭ2 через делитель R2R1 передается на базу транзистора VT1. Чтобы увеличить коэффициент передачи делителя, не нарушая исходного состояния, ре­зистор R2 можно шунтировать конденсатором Су неболь­шой емкости, который называется ускоряющим.

Под действием ПОС, приводящей к лавинообразному процессу изменений токов и напряжений транзисторов:

транзистор VT2 запирается, а транзистор VI’1 отпирается и переходит в режим насыщения. Наступает квазиустой­чивое состояние равновесия.

После отпирания транзистора VT1 конденсатор С оказывается включенным между базой и эмиттером тран­зистора VT2, причем иБЭ2 = — иС. Начинается переза­рядка конденсатора С по цепи: + ЕпRбCVT1 →Еп. Перезарядка сопровождается уменьшением отри­цательного напряжения на конденсаторе и на базе тран­зистора VT2. При этом напряжение иКЭ1 ≈ 0, а иКЭ2Епп + Eб)Rк2 / (R1+ + R2 + Rк2).

Как только напряжение на конденсаторе достигнет нулевого уровня, рабочая точка, характеризующая режим транзистора VT2, окажется на границе с активной об­ластью. При дальнейшем увеличении напряжения иС
рабочая точка перейдет в активную область и замкнется цепь положительной ОС:

Транзистор VT1 закроется, a VT2 откроется и будет находиться в режиме насыщения. Начнется зарядка кон­денсатора С по цепи: + ЕпRК1CVT2 →Еп. После зарядки конденсатора С одновибратор будет находиться в устойчивом состоянии до прихода следующего входного (запускающего) импульса, т. е. в режиме ожидания. Поэтому одновибратор часто называют ждущим м у л ьт и в и б р а то р о м.

Длительность формируемого одновибратором им­пульса определяется постоянной времени цепи переза­рядки конденсатора С и может быть приближенно опре­делена по формуле

Недостатком рассмотренного одновибратора является использование в нем двух источников Епи Еб. Поэтому чаще применяется одновибратор с эмиттерной связью (рис. 11.6), в котором имеется только один источник питания Еп.

Рис. 11.6. Схема одновибратора на БТ с эмиттерной связью

Роль источника Еб,обеспечивающего запи­рание транзистора VT1 в исходном состоянии, выполняет напряжение Uэна резисторе Rэ создаваемое эмиттерным током открытого и насыщенного транзистора VT2. Ток базы насыщенного транзистора VT2 определяется сопро­тивлением резистора Rб,а ток коллектора — сопротивле­нием резистора Rк2. Сопротивления резисторов R1, R2 и Rэ рассчитываются таким образом, чтобы в исходном со­стоянии напряжение иБЭ транзистора VT1 было отрица­тельным, т. е.

где Uэ = IЭ2 нас Rэ; IЭ2 нас — эмиттерный ток транзистора VT2 в режиме насыщения.

Одновибраторы на логических элементах.На рис. 11.7,а представлена схема одновибратора на логических элементах И — НЕ.

В исходном состоянии на входе ЛЭ1 действует на­пряжение высокого уровня — логическая единица. Напря­жение на входах ЛЭ2 равно напряжению на резисторе R, которое создается на нем входным током ЛЭ2. Так как IвхR 0 пор, то можно считать, что на входах ЛЭ2 имеется логический нуль, а на выходе — логическая единица, которая передается на второй вход ЛЭ1.

Рис. 11.7. Схема однопибратора на логических элементах (а) и

графики изменений напряжений на входах и выходах ЛЭ (б)

Таким образом, на каждом входе ЛЭ1 имеется логическая единица. Сле­довательно, ЛЭ1 открыт и напряжение на его выходе соответствует логическому нулю. Напряжение на конден­саторе С также близко к нулю.

При поступлении на вход отрицательного импульса, соответствующего логическому нулю, на выходе ЛЭ1 устанавливается логическая единица, соответствующая напряжению высокого уровня. Начинается зарядка кон­денсатора С. Ток зарядки протекает от выхода ЛЭ1 через конденсатор С и резистор R. На резисторе создается положительное напряжение uR =iC зарR > U 1 пор,которое в виде логической единицы поступает на входы ЛЭ2 и от­крывает его. На выходе ЛЭ2 образуется низкое напря­жение (логический нуль), которое передается на второй вход ЛЭ1и поддерживает его в закрытом состоянии после прекращения действия входного импульса.

По мере зарядки конденсатора С напряжение uR на резисторе R уменьшается. При uR 1 пордальнейшее уменьшение uR будет сопровождаться увеличением на­пряжения U3на выходе ЛЭ2 и на втором входе ЛЭ1. Начнет действовать положительная ОС, которую можно представить следующей символической записью:

При u3 > U 1 пор на обоих входах ЛЭ1 будет логическая единица, ЛЭ1 откроется и на его выходе напряжение уменьшится до логического нуля. Начнется разрядка конденсатора С через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD. Напряжение u2на входах ЛЭ2 станет меньше порогового U 0 пори ЛЭ2 закроется. В таком состоянии устройство будет находиться до прихода следующего запускающего импульса.

Графики напряжений на входах и выходах логических элементов показаны на рис. 11.7, б. Они построены без учета задержек при переключениях одновибратора.

Одновибраторы на операционных усилителях.Прин­ципиальная схема одновибратора на ОУ (рис. 11.8, а)

Рис. 11.8. Схема одповибратора на ОУ (а) и графики напряжений на конденсаторе,

входе и выходе одновибратора (б)

отличается от схемы мультивибратора на ОУ (рис. 1 1.4, а)наличием диода VD, подключенного параллельно конден­сатору С. При указанном на схеме направлении включе­ния диода в исходном состоянии на выходе устанавли­вается минимальный (отрицательный) уровень напряже­ния Uвых min.

Диод VD, образующий с резистором R3 делитель выходного напряжения, оказывается включенным в пря­мом направлении, поэтому падение напряжения на нем близко к нулю и uС = u (–) вх ≈ 0. Напряжение на неинвертирующем входе равно u (+) вх = Uвых minR1 / (R1 + R2).

Графики напряжений, поясняющие работу одновибра­тора, приведены на рис. 11.8, б.

При поступлении на вход импульса положительной полярности с амплитудой, превышающей значение Uвых minR1 / (R1 + R2),напряжение на неинвсртирующем входе становится положительным. Под действием u (+) вх> 0 напряжение на выходе также становится положи­тельным и, поступая на неинвертирующий вход через делитель R1R2, лавинообразно нарастает до максималь­ного значения Uвых max. Напряжение на неинвертирующем входе принимает значение

Под действием напряжения Uвых max конденсатор С начинает заряжаться через резистор R3. Диод VD вклю­чается в обратном направлении и на процесс зарядки влияния не оказывает. Пока uС (+) вхнапряжение

ивых = Uвых max. При приближении uСк u (+) вхОУ выходит из режима насыщения и при uС> u (+) вх под действием положительной ОС, осуществляемой через делитель R1R2, происходит второе «опрокидывание», в результате которого на выходе устанавливается минимальное на­пряжение Uвых min. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R3 и Rвых ОУ. При достижении напряже­ния на конденсаторе нулевого уровня диод открывается и процесс разрядки конденсатора заканчивается.

Таким образом, на выходе одновибратора на ОУ фор­мируется положительный импульс с крутыми фронтами, длительность которого можно рассчитать по формуле

Если изменить направление включения диода, то из­менится полярность выходного импульса. При этом за­пуск одновибратора должен производиться входными импульсами отрицательной полярности.

Дата добавления: 2020-10-30 ; просмотров: 1792 | Нарушение авторских прав

Электрический импульс

Электрический импульс — кратковременный всплеск электрического напряжения или силы тока в определённом, конечном временном промежутке. Различают видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески высокочастотных колебаний. Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от нулевого потенциала) и двухполярные.

Содержание

Характеристики импульсов

Форма импульсов

Важной характеристикой импульсов является их форма, визуально наблюдать которую, можно, например, на экране осциллографа. В общем случае форма импульсов имеет следующие составляющие: фронт — начальный подъём, относительно плоская вершина (не для всех форм) и срез (спад) — конечный спад напряжения. Существует несколько типов импульсов стандартных форм, имеющих относительно простое математическое описание, такие импульсы широко применяются в технике

  • Прямоугольные импульсы — наиболее распространённый тип
  • Пилообразные импульсы
  • Треугольные импульсы
  • Трапецеидальные импульсы
  • Экспоненциальные импульсы
  • Колокольные (колоколообразные) импульсы
  • Импульсы, представляющие собой полуволны или другие фрагменты синусоиды (обрезка по горизонтали или по вертикали)

Кроме импульсов стандартной, простой формы иногда, в особых случаях, используются импульсы специальной формы, описываемой сложной функцией, существуют также сложные импульсы, форма которых имеет в значительной степени случайный характер, например, импульсы видеосигнала.

Параметры импульсов

В общем случае импульсы характеризуются двумя основными параметрами — амплитудой (размахом — разностью напряжений между пьедесталом и вершиной импульса) и длительностью (обозначается τ или tи). Длительность пилообразных и треугольных импульсов определяется по основанию (от начала изменения напряжения до конца), для остальных типов импульсов длительность принято брать на уровне напряжения 50 % от амплитуды, для колоколообразных импульсов иногда используется уровень 10 %, длительность искусственно синтезированных колоколообразных импульсов (с чётко выраженным основанием) и полуволн синусоиды часто измеряется по основанию.

Для разных типов импульсов также вводят дополнительные параметры, уточняющие форму или характеризующие степень её неидеальности — отклонения от идеальной. Например, для описания неидеальности прямоугольных импульсов используются такие параметры, как, длительности фронта и среза (спада) (для идеального прямоугольного импульса они равны нулю), неравномерность вершины, а также размер выбросов напряжения после фронта и среза, возникающих в результате переходных паразитных процессов.

Спектральное представление импульсов

Кроме временного представления импульсов, наблюдаемого по осциллографу, существует спектральное представление, выраженное в виде двух функций — амплитудного и фазового спектра.

Спектр одиночного импульса является непрерывным и бесконечным. Амплитудный спектр прямоугольного импульса имеет чётко выраженные минимумы по шкале частот, следующие с интервалом, обратным длительности импульса.

Многократные импульсы

Импульсные посылки (серии импульсов)

Иногда импульсы используются или возникают не поодиночке, а группами, которые называются сериями импульсов или импульсными посылками, в том случае, когда они формируются преднамеренно для передачи куда-либо. Импульсная посылка может нести какую-либо информацию единичного характера или служить в качестве идентификатора. Информационные посылки прямоугольных импульсов, в которых значимыми величинами являются количество импульсов, их временное расположение или длительности импульсов называются кодово-импульсными посылками или, в некоторых областях техники, кадрами, фреймами. Кодирование информации в посылках может быть осуществлено разными способами: двоичный цифровой код, время-импульсный код, код Морзе, набор заданного количества импульсов (как в телефонном аппарате). Во многих случаях импульсные посылки используются не поодиночке, а в виде непрерывных последовательностей посылок.

Импульсные последовательности

Импульсной последовательностью называется достаточно продолжительная последовательность импульсов, служащая для передачи непрерывно меняющейся информации, для синхронизации или для других целей, а также генерируемых непреднамеренно, например, в процессе искрообразования в коллекторно-щёточных узлах. Последовательности подразделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через строго одинаковые интервалы времени. Длительность интервала называется периодом повторения (обозначается T), величина, обратная периоду — частотой повторения импульсов (обозначается F). Для последовательностей прямоугольных импульсов дополнительно применяются ещё две однозначно взаимосвязанных друг с другом параметра: скважность (обозначается Q) — отношение периода к длительности импульса и коэффициент заполнения — обратная скважности величина; иногда коэффициент заполнения используют и для характеристики квазипериодической и случайной последовательностей, в этом случае он равен среднему отношению суммы длительностей импульсов за достаточно большой промежуток времени к длительности этого промежутка. Спектр периодической последовательности является дискретным и бесконечным для конечной последовательности, конечным для бесконечной. Среди непериодических последовательностей с, технической точки зрения, наибольший интерес представляют квазипериодические и случайные последовательности (на практике используются псевдослучайные). Квазипериодические последовательности представляют собой последовательности импульсов, период которых или другие характеристики варьируются вокруг средних значений. В отличие от спектра периодической последовательности, спектр квазипериодической последовательности является, строго говоря, не дискретным, а гребенчатым, с незначительным заполнением между гребнями, однако, на практике этим иногда можно пренебречь, так, например, в телевизионной технике для создания полного видеосигнала к сигналу чёрно-белого изображения добавляют сигнал цветности таким образом, что гребни его спектра оказываются между гребнями чёрно-белого видеосигнала.

Импульсы как носители информации

По характеру информации импульсные сигналы могут использоваться однократно (разовое сообщение о событии) или для непрерывной передачи информации. Последовательности импульсов могут передавать дискретизированную по времени аналоговую информацию или цифровую, возможны также случаи, когда в единый, в физическом смысле, сигнал вложено два вида информации, например, телевизионный сигнал с телетекстом.

Для представления информации используются различные характеристики как собственно импульсов, так и их совокупностей, как по отдельности, так и в сочетаниях

  • Форма импульсов
  • Длительность импульсов
  • Амплитуда импульсов
  • Частота следования импульсов
  • Фазовые соотношения в последовательности импульсов
  • Временные интервалы между импульсами в посылке
  • Позиционное комбинирование импульсов в посылке

Таким образом, можно выделить несколько обобщённых типов импульсных сигналов, несущих непрерывную информацию

  • Цифровой сигнал, информация в котором, как правило (но не обязательно), содержится в виде кодовых посылок
  • Аналоговый дискретизированный сигнал в виде квазипериодической последовательности
  • Аналоговый дискретизированный сигнал в виде импульсных посылок с аналоговым кодированием информации
  • Отдельно от предыдущих типов надо выделить видеосигнал (и соответствующий ему модулированный радиосигнал), в котором, в отличие от других сигналов, непрерывная информация содержится внутри самого импульса, благодаря его сложной форме
Каждый электрик должен знать:  Энергосбережение в быту все способы экономии
Добавить комментарий
Полезен материал? Поделись: