Это важно: период и частота математически зависят друг от друга. Если период уменьшается, то частота увеличивается, и наоборот.
Импульсы и запускающие сигналы (триггеры)
Если длительность tu всех импульсов, составляющих последовательность, и всех пауз tn постоянна во времени, она называется периодической.
Важным параметром периодического импульсного процесса является рабочий цикл S. Рабочий цикл представляет собой отношение периода импульса к его длительности и рассчитывается по следующей формуле:
Мощность управления S достигается при постоянной частоте сигнала. Иногда используется обратная величина D — коэффициент заполнения, рассчитанный по формуле:
Если tu и tn равны, то рабочий цикл равен 2, а сигнал называется меандром. S и D — безразмерные величины, поскольку время делится на время. В цифровых устройствах импульсы используются в различных формах. Форма импульса — это графическое представление временного хода импульса напряжения. На следующем рисунке показаны осциллограммы:
- a — прямоугольная,
- b — трапециевидная,
- c — экспоненциальный,
- d — колоколообразный,
- e — депрессия,
- f — пилообразный.
Типы импульсных сигналов
Техническая характеристика форм импульсов связана с количественной оценкой основных параметров импульса, свойств его отдельных частей, которые играют различную роль в воздействии импульса на устройство. На рисунке выше показаны идеализированные формы импульсов. Из-за переходных процессов в устройствах (импульсная модуляция и усиление) существует реальная форма, например, квадратный импульс (см. рисунок ниже).
Реальная форма импульса
Основными параметрами импульса являются:
- l Ширина импульса — Um,
- l длительность импульса — ti,
- l длина передней кромки — tf,
- l продолжительность прицепного края — т.с,
- l наклон пика — ΔU,
- l Нарастание падающего фронта — Um rms,
- l длительность нарастающего фронта — tpf.
Эти значения считываются в диапазоне от 0,1 до 0,9 амплитуды в микросекундах, в зависимости от частоты сигнала. Значения амплитуды указаны в вольтах.
Параметры импульсного сигнала можно определить с помощью осциллографа, частотомера или мультиметра.
Виды импульсов и их параметры.
Импульс определяется как кратковременное отклонение напряжения или тока от определенного фиксированного значения, особенно от нуля.
Существует два типа импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы.
Видеоимпульсы — это кратковременные колебания напряжения или тока в цепи постоянного тока. Видеоимпульсы бывают прямоугольными, трапециевидными, треугольными, экспоненциальными и колоколообразными (рис. 15.1).
Рис. 15.1 Идеализированные прямоугольные (a), трапециевидные (b), треугольные (c), экспоненциальные (d) и колоколообразные (e) импульсы.
Следует отметить, что истинные импульсы не модулируются строго в соответствии с их названием. Например, прямоугольные импульсы похожи на трапецеидальные, а треугольные — на экспоненциальные.
Различают импульсы с положительной и отрицательной полярностью и биполярные импульсы («меандры»).
Рис. 15.2 Биполярные импульсы.
Наиболее часто используются квадратные импульсы.
Радиоимпульсы — это короткие пакеты синусоидального напряжения или тока. Они поступают с выхода высокочастотного генератора, который управляется (модулируется) видеоимпульсами. Поэтому форма огибающей радиоимпульсов соответствует форме импульсов видеомодуляции (рис. 15.3).
Рисунок 15.3: Типы радиоимпульсов прямоугольной (a), трапециевидной (b), треугольной (c) и экспоненциальной (d, e) формы.
Давайте введем понятие основных параметров импульса на примере истинного прямоугольного импульса. Как показано на рис. 15.4, эти импульсы имеют передний фронт, участок (задний фронт) и плоский пик (часть импульса между передними фронтами). На рисунке также показано затухание плоского пика (∆U) и результирующее небольшое увеличение напряжения. Параметрами реального импульса являются: ширина импульса, длительность импульса и фланга, а также мощность импульса.
Рисунок 15.4: Прямоугольный импульс напряжения.
Амплитуда импульса
— Амплитуда импульса — это наибольшее значение напряжения или тока. Амплитуда напряжения или тока выражается в вольтах, киловольтах, милливольтах, микровольтах или амперах, миллиамперах, микроамперах.
Длительность импульса
. Ширина активного импульса — это интервал времени, измеряемый половиной амплитуды. Иногда длительность импульса измеряется на уровне 0,1 (0,1 или основание импульса). Если не указано, то длительность импульса определяется по базе и обозначается. Длительность импульса выражается в единицах времени: секундах, миллисекундах, микросекундах и наносекундах.
Длительность импульса и наклон импульса
. Восходящий фронт импульса — это время нарастания импульса, а нисходящий фронт импульса — время спада импульса. Наиболее часто используемым понятием является длительность активного фронта, которая принимается за время нарастания импульса от 0,1 до 0,9. Аналогично, время отсечки — это время спада импульса между 0,9 и 0,1.
Обычно продолжительность и составляет долю от скорости. Чем короче и по сравнению с длительностью импульса, тем больше форма импульса приближается к форме квадратной волны. Иногда вместо и фронты импульса характеризуются скоростью нарастания (спада). Это называется наклоном S
Управление скважностью
Блокирующий осциллятор: принцип работы
Цифровые сигналы используются для управления различными устройствами. Первым применением этого типа управления была передача информации с помощью азбуки Морзе. Сигнал передается в виде коротких и длинных импульсов. Каждой букве соответствует определенное количество точек и тире. Сегодня этот метод управления используется для ШИМ-управления.
Изменяя D (коэффициент заполнения) от 0 до 1, можно получить желаемое выходное напряжение электронного устройства. Таким образом, можно управлять скоростью вращения двигателя, освещением, яркостью экрана и т.д. Квадратные импульсы генерируются с помощью специально разработанных схем, например, NE555, NL494, KR1006VI1, IR2153, и микроконтроллеров.
Для обеспечения надежной работы управляемых устройств предъявляются жесткие требования к стабильности параметров импульсного сигнала. Это достигается за счет использования кварцевого генератора и хорошей переходной характеристики схемы для модуляции управляющих импульсов.
Это важно: период и частота математически зависят друг от друга. Если период уменьшается, то частота увеличивается, и наоборот.
Скважность импульсов
Известно, что скорость вращения электродвигателя можно регулировать, периодически включая и выключая его из электросети, а дополнительные параметры скорости можно регулировать, изменяя время включения и выключения. Это явление наблюдается не только в электродвигателе, но и во всех потребителях энергии, которые могут накапливать энергию, т.е. в инерционных системах.
Принцип широтно-импульсной модуляции основан на этом явлении и широко используется в управлении электроприборами и источниками света, требующими циклического питания. На английском языке этот принцип называется широтно-импульсной модуляцией.
Что такое ШИМ
Что такое электрический импульс? Это внезапное, конечное увеличение напряжения в системе. Поскольку она конечна, у нее есть начало, обычно называемое наклоном, амплитуда и спад, ее конец, период.
Эти пики могут быть охарактеризованы следующими параметрами:
- Периодичность — это продолжительность времени до пика следующего импульса, обозначаемая буквой T,
- Дежурный цикл — отношение периода к амплитуде — является безразмерной величиной и обычно выражается в процентах; диапазон между спадающим фронтом первого импульса и нарастающим фронтом следующего импульса может быть обозначен S на рисунке,
- Частота сигнала — количество импульсов за определенный период времени, которое является обратной величиной периода колебаний,
- Ширина импульса — промежуток времени, в течение которого амплитуда постоянна,
- коэффициент заполнения — величина, которая является обратной величиной рабочего цикла и обычно обозначается буквой t в формулах.
Поэтому рабочий цикл импульса представляет собой отношение:
По этой причине широтно-импульсная модуляция позволяет контролировать изменения напряжения в системе от нуля до максимальной амплитуды сигнала, что используется для установки оптимальных режимов работы инерциальных систем.
Применение
Для генерации квадратной волны используется аналоговая микросхема или микросхема контроллера. Сами колебания управляют только нагрузкой, поступающей от источника тока. Соединение осуществляется с помощью ключевой схемы в полупроводнике. Ключ имеет только два состояния: либо он включен, либо он включает сеть.
В общем случае это зависит от характеристик колебаний. Поэтому, когда лампа подключена через такую цепь, она мигает с определенной периодичностью на низкой частоте, но когда она превышает 50 Гц, отдельные вспышки сливаются в единую вспышку для человеческого глаза. Это свойство человеческого глаза, который не воспринимает колебания выше этого значения. Но яркость вспышки также можно регулировать. Чем меньше коэффициент заполнения и, соответственно, обратная величина этой величины, тем меньше яркость источника.
Аналогичный пример можно использовать с двигателем постоянного тока, управляемым широтно-импульсным модулятором. Низкая частота приведет к плохой работе двигателя, а высокая частота заставит двигатель работать эффективно. Для достижения этой цели используются полупроводниковые переключатели с высокой скоростью и низкой проводимостью, иначе может возникнуть гистерезис сигнала.
При необходимости сигналы схемы импульсного управления могут быть усреднены с помощью фильтров низких частот, но при условии использования двигателя с высокой механической инерцией и хорошим значением индуктивности. В этом случае амплитуда и частота самопроизвольно уменьшаются.
Рабочий цикл, а также его обратное значение зависят от уровня имитируемого сигнала; частота этих устройств определяется частотой резервного генератора, обеспечивающего дополнительный сигнал.
Генератор для получения рабочего цикла
Помимо импульсов с простой стандартной формой, в особых случаях используются импульсы с особой формой, описываемой сложной функцией; существуют также сложные импульсы, форма которых в значительной степени случайна, например, импульсы видеосигнала.
Принцип действия
В устройствах модуляции имеется специальная микросхема контроллера или аналоговый микрочип, который генерирует квадратную волну. Соединение осуществляется с помощью схемы на полупроводнике. Полупроводник имеет только два состояния:
Значение: Функционирование всей схемы зависит от типа колебаний. Поэтому, когда лампа подключается через полупроводниковое устройство, она мерцает с определенной частотой.
Однако, если частота превышает 50 Гц, мерцание сливается в одну вспышку из-за особенностей человеческого глаза. Но яркость вспышки также можно регулировать таким образом. Уменьшение коэффициента приводит к уменьшению яркости света, производимого лампой.
Аналогичная схема может быть использована для двигателей постоянного тока. Снижение частоты приводит к снижению скорости вращения двигателя, а повышение скорости — к увеличению потребляемой мощности.
В подобных устройствах используется полупроводниковый переключатель, имеющий высокую скорость срабатывания и низкую проводимость, иначе могут возникать задержки.
Как обозначается
Рабочий цикл обозначается английской буквой S, а его обратная величина, коэффициент заполнения, обозначается буквой D.
Марки различаются по форме и характеристикам:
- Синус. Переменный ток в бытовой розетке представляет собой синусоидальную волну, изменяющуюся во времени с частотой 50 Гц. Для синусоидальной волны период может быть выражен в градусах или радианах, а не в секундах. Обратите внимание, что общий период равен 360° (в градусах) или 2n (в радианах).
Это важно: период и частота математически зависят друг от друга. Если период уменьшается, то частота увеличивается, и наоборот.
Это важно: сигнал может принимать как положительные, так и отрицательные значения, когда он претерпевает изменения. В показанном потоке длительность положительного импульса больше длительности отрицательного импульса, хотя обратное также верно.
Как измерить скважность с помощью формулы
Перпендикулярность ортогональных импульсов S — это отношение между периодом T и временем импульса, обозначаемым t1. Следует также отметить, что рабочий цикл D является обратной величиной рабочего цикла:
Рабочий цикл сигнала является одной из наиболее важных характеристик импульсной механики. Его основными характеристиками являются период и время числового значения импульса. Изменяя эти характеристики, можно влиять на всю схему.
Значение: Функционирование всей схемы зависит от типа колебаний. Поэтому, когда лампа подключается через полупроводниковое устройство, она мерцает с определенной частотой.
Управление скважностью
Блокирующий осциллятор: принцип работы
Цифровые сигналы используются для управления различными устройствами. Первым применением этого типа управления была передача информации с помощью азбуки Морзе. Сигнал передается в виде коротких и длинных импульсов. Каждой букве соответствует определенное количество точек и тире. Сегодня этот метод управления используется для ШИМ-управления.
Изменяя D (коэффициент заполнения) от 0 до 1, можно получить желаемое выходное напряжение электронного устройства. Таким образом, можно управлять скоростью вращения двигателя, освещением, яркостью экрана и т.д. Квадратные импульсы генерируются с помощью специально разработанных схем, например, NE555, NL494, KR1006VI1, IR2153, и микроконтроллеров.
Для обеспечения надежной работы управляемых устройств предъявляются жесткие требования к стабильности параметров импульсного сигнала. Это достигается за счет использования кварцевого генератора и хорошей переходной характеристики схемы для модуляции управляющих импульсов.
Характеристики импульсов
Форма импульсов
Важной характеристикой импульсов является их форма, которую можно наблюдать визуально, например, на экране осциллографа. В общем, форма импульсов имеет следующие составляющие: фронт — начальный подъем, относительно плоская вершина (не для всех форм) и разрыв (спад) — конечное падение напряжения.
Существует несколько типов импульсов стандартной формы, которые имеют относительно простое математическое описание и широко используются в технике.
- Прямоугольные импульсы являются наиболее распространенным типом
- Дискантные импульсы
- Треугольные импульсы
- Трапециевидные импульсы
- Экспоненциальные импульсы
- Импульсы звонка
- Импульсы, состоящие из полуволн или других форм волн (горизонтальная или вертикальная отсечка)
Помимо импульсов с простой стандартной формой, в особых случаях используются импульсы с особой формой, описываемой сложной функцией; существуют также сложные импульсы, форма которых в значительной степени случайна, например, импульсы видеосигнала.
Параметры импульсов
В общем случае импульсы характеризуются двумя основными параметрами — амплитудой (амплитуда — разность напряжения между основанием и пиком импульса) и длительностью (обозначается t
или Ti). Длительность пилообразных и треугольных импульсов определяется по базе (от начала изменения напряжения до конца), для других типов импульсов длительность берется на уровне 50% от амплитуды напряжения, для колоколообразных импульсов иногда используется уровень 10%, длительность искусственно синтезированных колоколообразных импульсов (с острым основанием) и синусоидальных синусоид часто измеряется от базы.
Пик на вершине прямоугольного импульса
Для различных типов импульсов вводятся также дополнительные параметры, уточняющие форму или характеризующие степень неидеальности — отклонения от идеала. Например, для описания неидеальности квадратных импульсов используются такие параметры, как (для идеального квадратного импульса они равны нулю), неравномерность пика, а также величина пиков напряжения после фронта и отсечки, возникающих в результате переходных паразитных процессов.
Спектральное представление импульсов
В дополнение к временному представлению импульсов, наблюдаемых на осциллографе, существует также спектральное представление, выражаемое двумя функциями — амплитудным спектром и фазовым спектром.
Спектр одиночного импульса является непрерывным и бесконечным. Амплитудный спектр ортогонального импульса имеет четко выраженные минимумы на шкале частот, которые следуют за интервалом, обратным длительности импульса.
Дискретный сигнал
В наше время каждый пользуется мобильным телефоном или каким-либо «звонилкой» на компьютере. Одной из задач устройств или программного обеспечения является передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для передачи непрерывной формы волны требуется канал с большей пропускной способностью. По этой причине было решено использовать дискретный сигнал. Он генерирует не саму волну, а ее цифровую форму. Почему? Потому что передача осуществляется с помощью технологии (например, телефона или компьютера). Каковы преимущества такого способа передачи информации? Это уменьшает общий объем передаваемых данных и облегчает организацию групповых передач.
Термин «выборка» постоянно используется в компьютерных технологиях в течение длительного времени. Это не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, которые преобразуются в специальные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Этот тип шифрования давно устарел, но не исчез полностью. Таким образом можно легко передавать небольшие фрагменты информации.
