Основные понятия импульсной и цифровой техники.

В настоящее время в системах радио и проводной связи, в телевидении, радиолокации, автоматических и телемеханических системах управления, в ЭВМ и других областях радиоэлектроники и промышленной автоматики используются импульсные устройства.

Напряжения и токи в таких устройствах имеют характер импульсов и перепадов.

Электрическим импульсом называют напряжение или ток отличающиеся от (первоначального) постоянного уровня U0 в течение короткого промежутка времени (в частном случае U0 = 0). Под коротким промежутком времени понимают время, соизмеримое с длительностью переходных процессов в рассматриваемом устройстве. На рис.1.1 приведена одна из возможных форм импульсного напряжения.

На рисунке обозначено:

Рис.1.1. UМ – амплитуда импульса; U0 – постоянный (начальный) уровень напряжения.

В реальном импульсе, когда бывает трудно точно указать границы нарастания и спадания импульса проводят вспомогательные уровни (l ) UМ – нижний и (1- l ) UМ – верхний, где значение l принимают в пределах 0,05 – 0,1. Участок импульса, на котором происходит отклонение напряжения от исходного уровня называется фронтом, а участок импульса, где напряжение возвращается в исходное состояние – спадом (срезом).

tф – длительность фронта;

tс – длительность спада;

tи – длительность импульса. Она может быть отсчитана по основанию, вершине или на уровне 0,5 от амплитудного значения.

Изменение напряжения D U на вершине импульса называется неравномерностью (завалом) вершины.

Если импульсы следуют один за другим через равные промежутки времени, то говорят о периодической последовательности импульсов.

Т – период следования импульсов.

Число импульсов, следующих в течение одной секунды, называется частотой повторения импульсов F.

F = 1/Т;

Периодическую последовательность импульсов обычно характеризуют коэффициентом заполнения и скважностью.

коэффициент заполнения kз – это отношение длительности импульса к периоду его повторения:

kз = tи/Т; (изменяется от 0 до 1)

скважностью импульсов называют отношение интервала между импульсами (скважина) к длительности самого импульса (при меандре s = 1):

;

Если длительность импульса много меньше интервала повторения, то скважность можно приближенно выразить коэффициентом заполнения:

.

Импульсы могут иметь различную форму. Наибольшее распространение получили импульсы прямоугольной (трапециевидной), треугольной и колоколообразной формы.

Прямоугольными (рис.1.2,а) принято называть импульсы, у которых длительность фронта (tф) и спада (tс) меньше 1/10 длительности импульса. Если tф и tс превышают эту величину, то импульсы называют трапецеидальными.

У треугольных импульсов длительность вершины равна нулю. Широкое распространение получили треугольные импульсы с коротким фронтом (tф » 0) – остроконечные импульсы (рис.1.2,б), а также импульсы, у которых напряжение (ток) на фронте или спаде изменяется по линейному закону – пилообразные импульсы (рис.1.2,в).

Рис.1.2.

Колоколообразные импульсы получили свое название благодаря специфической форме, напоминающей колокол (рис.1.2,г).

Перепадами напряжения называют быстрые, практически скачкообразные изменения напряжения между двумя уровнями.

Перепады различают положительные и отрицательные (рис.1.3):

tф+ - длительность фронта положительного перепада,

tф+ - длительность фронта отрицательного перепада.

Рис.1.3.

Разность уровней напряжения (тока) до и после Uм называют величиной (амплитудой) перепада.

Периодически повторяющиеся положительные и отрицательные перепады напряжения образуют напряжение прямоугольной формы. Когда перепады следуют через одинаковые промежутки времени, напряжение прямоугольной формы называется меандром.

Формирование электрических импульсов и перепадов в современных схемах осуществляется в основном диодами, электронными лампами и транзисторами, которые работают обычно в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями этих приборов: «включено» - «выключено». Простейшие устройства, в которых осуществляется ключевой режим называются ключевыми схемами (ключами).

В общем виде идеализированная схема ключа и график ее выходного напряжения приведены на рис.1.4 (а,б).

Рис.1.4.

В реальных схемах, когда в качестве коммутирующего устройства применяются полупроводниковые приборы или электронные лампы, уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям «включено» и «выключено», зависят от типа коммутирующего прибора. Переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Для низкочастотных схем, какими являются устройства железнодорожной автоматики и телемеханики систем электроснабжения, временем переходного процесса можно пренебрегать. Далее более подробно будут рассмотрены некоторые типы ключей.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Электрические импульсы (в наших устройствах прямоугольной формы) используются в качестве сигналов.

Сигнал – физический процесс, определенные параметры которого однозначно соответствуют некоторому сообщению.

Сообщение – это сведения о некотором событии или явлении, которые необходимо передать от источника к получателю.

Совокупность сообщений – есть информация.

За единицу количества информации принимают информацию, содержащуюся в элементарном сообщении о событии, которое имеет только два возможных состояния типа «да - нет», «вкл. - откл.» и т.д. Сигнал, который описывает это сообщение, будет состоять из одного элемента (n = 1), имеющего два состояния (m = 2) – импульс короткий или длинный, импульс с большой или малой амплитудой, наличие или отсутствие импульса. Такой сигнал называется двоичным. При этом за единицу информации принимают:

I = n log2 m = 1 log2 2 = 1 бит,

основание логарифма принято 2, как наиболее удобное количество сообщений:

N = 2n = 21 = 2.

Если двоичный сигнал содержит три элемента, он несет информацию:

N = 3 log2 2 = 3*1 = 3 бит,

а сообщений N = 2n = 23 = 8.