Что такое длительность фронта импульса

Фронт сигнала

Из Википедии — свободной энциклопедии

Фро́нтом сигна́ла в электронике называется переход аналогового импульсного сигнала, в частности, цифрового сигнала из состояния «ноль» (нижний уровень) в состояние «единица» (верхний уровень) (нарастание сигнала). Переход из состояния «единица» в состояние «ноль» называют спадом сигнала. При этом подразумевается, что для сигналов напряжения нарастание сигнала — это его увеличение относительно некоторого узла цепи, которому приписан нулевой потенциал — «земле», например, от нуля до максимального. Для импульсных сигналов тока принимается нарастание модуля тока, независимо от его направления в рассматриваемом узле электрической цепи.

Часто фронт сигнала называют «передним фронтом», а спад сигнала — «задним фронтом». Иногда фронтом сигнала называют переход логического сигнала или переменной из состояния «FALSE» в состояние «TRUE» и обратный переход из состояния «TRUE» в «FALSE» — спадом логического сигнала. Длительности фронта (время нарастания) и спада (время спада) физически реализуемых сигналов занимают конечное время.

Фронт сигнала — одно из ключевых понятий в теории триггеров в электронике. Например, триггеры со счетным входом, D-триггеры, JK-триггеры изменяют своё состояние, в зависимости от реализации, по фронту или спаду входных сигналов, которые обычно называют тактирующими сигналами, но эти сигналы не обязательно, и даже редко, являются периодическими тактирущими импульсами.

Источник

Импульсный режим работы: формы импульсов, описание, параметры

Импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. При этом в промежутках времени между этими изменениями токи и напряжения меняются сравнительно мало. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и информативной электроники.

Часто активные приборы (например, транзисторы) устройства электроники, работающего в импульсном режиме, используются как ключи, т. е. основную долю времени находятся или в открытом, или в закрытом состоянии, и только в течение очень коротких отрезков времени находятся в промежуточном состоянии. Это так называемый ключевой режим работы активных приборов.

Дадим соответствующие пояснения. Пусть в устройстве используется силовой транзистор, работающий в режиме ключа. В открытом состоянии транзистор находится в режиме насыщения (напряжение на транзисторе мало), а в закрытом — в режиме отсечки (ток через транзистор мал). Тогда мощность, идущая на нагрев транзистора, мала как в его открытом, так и закрытом состояниях. Эта мощность возрастает в момент переключения транзистора из одного состояния в другое.

Но процесс переключения протекает достаточно быстро, и в среднем мощность оказывается малой.

Импульсные сигналы

Рассмотрим основные термины. Обратимся для примера к идеализированному импульсу, который называют трапецеидальным (рис. 3.1, а).

Участок импульса АВ называют фронтом, участок BC— вершиной, участок CD — срезом; отрезок времени AD — основанием. Иногда участок АВ называют передним фронтом, а участок CD — задним фронтом.

На рис. 3.1, б приведены другие идеализированные импульсы характерных форм и даны их названия.

Обратимся к идеализированному, но более сложному по форме импульсу (рис. 3.2, а).

Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называется хвостом импульса, или обратным выбросом.

Для величин, указанных на рисунке, обычно используют следующие названия:

Обратимся к периодически повторяющимся импульсам (рис. 3.3).

В этом случае используются следующие параметры: f = 1/T, Q = T/t_n, K_з= 1/Q = t_n/T

Источник

Лекция Общие характеристики импульсных сигналов.

Сигнал — физический процесс, несущий информацию. По природе физического процесса делятся на электромагнитные, в частности электрические (телефония, радио, телевидение, мобильная связь, ЛВС, Интернет), световые (оптоволоконный кабель), звуковые (общение людей), пневматические и гидравлические (определенные отрасли автоматики)и др.

Сигнал имеет Информативный (несущий информацию) и Неинформативный (не несущий информацию) параметр. П-р: если информацию несет амплитуда гармонического сигнала, то частота и фаза этого сигнала будут неинформативными.

Импульсные сигналы — сигналы, информацию в которых несут параметры импульсов. Импульс — кратковременное отклонение физического процесса от установленного значения. Кратковременное отклонение имеет не абсолютное, а относительное значение, т. е. длительность отклонения меньше или сопоставима с длительностью процесса.

Импульсные сигналы имеют преимущества перед непрерывными сигналами: средняя мощность импульсного сигнала значительно меньше средней мощности непрерывного сигнала при сопоставимой информационной емкости. Кроме того, в паузах между импульсами одного сигнала можно передавать импульсы другого сигнала и тем самым увеличить информационную вместимость канала. Одним из специальных видов импульсных сигналов есть сигналы цифровой и компьютерной техники.

Существуют два вида импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы — это кратковременное отклонение физического параметра, несущего информацию, от установленного значения. Радиоимпульс — это отрезок высокочастотного колебания определенной формы. Радиоимпульсы широко используют для передачи информации каналами радиосвязи, в телевидении и радиолокации. На практике используют Последовательности импульсов, повторяющиеся через определенный интервал времени.

Импульсные сигналы бывают Периодичными и Непериодичными. Периодичными считаются сигналы, значения которых повторяются через определенный промежуток времени.

По форме импульсы делятся на: прямоугольные, треугольные, пилоподобные и др. Формы реальных импульсов отличаются от идеальных, вследствие искажений и помех, действующих в каналах импульсных устройств.

Параметры импульсов:

Фронт — начальная часть импульса, характеризующая нарастание информативного параметра.

Спад — информативный параметр падает до установленного значения.

Вершина — часть импульса, находящегося между передним и задним фронтами.

Амплитуда — наибольшее отклонение информативного параметра сигнала от установленного значения.

Длительность импульса Т1— отрезок времени, измеренный на уровне, соответствующему половине амплитуды.

Период повторения импульсов Т в импульсной последовательности — интервал времени между двумя соседними импульсами в импульсной последовательности.

Длительность фронта импульса — это время τF нарастания импульса от 0,1 до 0,9 амплитудного значения, или время спада τB от 0,9 до 0,1 амплитудного значения.

Среднее квадратичное значение импульса — значение постоянного напряжения, который за одинаковые промежутки времени при одинаковых значениях сопротивления выделяет такую же самую мощность.

Неравномерность вершины δ — разница значений в начале и в конце импульса.

Выброс на вершине b1— кратковременное отклонение сигнала на вершине импульса в начальной его части.

Выброс в паузе B2— кратковременное отклонение сигнала после завершения действия импульса.

1.2. Виды импульсных сигналов и способы их отображения.

Импульсные сигналы могут отображаться в Аналитической (в виде уравнения) и Графической формах.

П-р:

Виды сигналов по характеру изменения сигнала во времени и по информативному параметру:

1) непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и по времени сигналы

2) непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и дискретные по времени сигналы — удобно обрабатывать современными измерительными приборами, поэтому аналоговые сигналы исследуемых объектов чаще всего превращают в дискретные сигналы. (Дискретизация) Интервал времени между соседними значениями дискретного сигнала называется Интервалом или Периодом дискретизации; величина, обратная к периоду дискретизации — Частота дискретизации; Дискретизация бывает Равномерная и Неравномерная.

3) непрерывные (аналоговые) по времени сигналы и квантованные (дискретные) по информативному параметру определены в любой момент времени. Превращение непрерывных сигналов в квантованные — квантование сигнала. Интервал между двумя соседними разрешенными уровнями — Квант. Квантование бывает Равномерное и Неравномерное.

4) сигналы дискретные по времени и квантованные по уровню могут иметь только определенные разрешенные уровни. Именно такие сигналы используются в современных информативных технологиях и обрабатываются современными компьютерными и микропроцессорными средствами.

Логические сигналы. Логические (булевы) величины, т. е. величины, которые могут принимать одно из двух возможных значений 0 или 1. На практике используют два вида логических сигналов: Импульсные и Потенциальные. Если на начальных этапах развития цифровой техники широко использовались импульсные логические сигналы, то сейчас они почти полностью вытеснены потенциальными логическими сигналами.

Импульсный логический сигнал принимает значение логической 1, если в течении определенного, заранее определенного интервала времени существует импульс определенной амплитуды, и значение логического 0, если в течении этого интервала времени такой импульс отсутствует. Система потенциальных логических сигналов считается Положительной, если логической 1 соответствует высший, а логическому 0 низший с двух возможных уровней, и отрицательной (инверсной), если логической 1 соответствует низший, а логическому 0 — высший с двух возможный уровней.

Входные и выходные сигналы реальных цифровых устройств имеют не два уровня или значения, а бесконечно большое количество значений в заданном диапазоне. Для того, чтобы такие сигналы несли логическую информацию, диапазон возможных значений этих сигналов делят на такие поддиапазоны (зоны): поддиапазон (зона) логического 0; поддиапазон (зона) логической 1; запрещенная зона, разделяющая две первые зоны.

То, что одному значению логической величины ставится в соответствие бесконечно большое количество значений с определенного диапазона, является избыточностью в кодировании информации. Чем больше степень избыточности в кодировании информации, тем выше степень помехоустойчивости этой информации, т. е. логические сигналы являются наиболее помехоустойчивыми сигналами.

Типичные элементарные сигналы и их характеристики.

Единичный импульсный сигнал δ(T);

Единичный ступенчатый сигнал U(T);

Гармонический сигнал X(T);

Экспоненциальный сигнал.

Единичный импульсный сигнал имеет площадь равную единице, т. е. произведение длительности импульса Тi на амплитуду импульса =1. Единичный ступенчатый сигнал описывается таким аналитическим выражением:

Гармонический сигнал используется для исследования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик импульсных устройств.

Экспоненциальный сигнал описывается таким аналитическим выражением:

1.2.Генераторы импульсных сигналов.

Устройства, предназначенные для генерации импульсов.

По форме импульсов генераторы делятся на Генераторы прямоугольных импульсов и генераторы импульсов Не прямоугольной формы, в частности генераторы пилообразных импульсов.

Чтобы получить импульсы прямоугольной формы с крутыми фронтами, широко применяются так называемые Релаксационные генераторы, принцип которых основан на использовании усилителей с положительной обратной связью. Эти генераторы могут работать в одном из таких режимов: ожидания, автоколебания, синхронизации и деления частоты.

В режиме ожидания генератор имеет одно стойкое состояние. Внешний импульс запуска вызывает прыжкоподобный переход генератора в новое нестойкое состояние. В этом состоянии, которое называется квазистойким, или временно стойким, в генераторе происходят довольно медленные изменения, которые в конце концов приводят к обратному прыжку к начальному стойкому состоянию. Длительность пребывания генератора во временно стойком состоянии, т. е. длительность импульса, определяется параметрами элементов генератора. Основные требования: стабильность длительности генерированного импульса и стойкость его начального состояния.

В автоколебательном режиме генератор не имеет стойкого состояния, а имеет два временно стойких состояния. Переход с одного временно стойкого состояния в другое и назад осуществляется прыжком без влияния какого-либо внешнего фактора. Во время этого процесса генерируются импульсы, амплитуда, длительность и период которых полностью определяются параметрами элементов генератора. Основным требованием к таким генераторам является высокая стабильность частоты импульсов.

Режим синхронизации и деления частоты применяется для генерации импульсов, частота которых равна или кратна частоте импульсов синхронизации, которые попадают на генератор из-вне.

Мультивибраторы.

Мультивибратор — одни из наиболее распространенных генераторов прямоугольных импульсов. Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью.

Мультивибратор — это устройство, которое поочередно пребывает в двух временно стойких (квазистойких) состояниях. Как активные элементы в мультивибраторе используются биполярные и полевые транзисторы, логические интегральные микросхемы, операционные усилители.

Транзисторы мультивибратора пребывают поочередно в одном из двух режимов: в режиме отсечки и режиме насыщения.

Казалось бы при полной симметрии схемы после ее включения токи транзисторов и напряжения на конденсаторов и на электродах транзисторов должны быть одинаковыми, а состояние схемы устойчивым. Однако этого никогда не происходит, т. к. идеальной симметрии схемы добиться практически невозможно. Любая, даже самая незначительная асимметрия мгновенно приведет к тому, что один из транзисторов закроется, а другой будет открыт и доведен до режима насыщения.

Пусть ток коллектора транзистора Т2 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора Т1. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R4 и к снижению отрицательного потенциала на коллекторе транзистора Т2. Через конденсатор С2 изменение потенциала коллектора транзистора Т2 передается на базу транзистора Т1.Это приведет к уменьшения тока коллектора Т1 и к увеличению отрицательного потенциала на коллектора этого транзистора. Через конденсатор С1 изменение потенциала коллектора транзистора Т1 передается на базу транзистора Т2, что вызывает дополнительное увеличение тока коллектора этого транзистора. Далее процесс повторяется и в конечном итоге транзистор Т2 полностью откроется и войдет в режим насыщения, а транзистор Т1 закроется. Этот процесс протекает лавинообразно и поэтому очень быстро, практически мгновенно.

Схема транзисторного мультивибратора.

2. Электронные ключи и логические элементы.

2.1. Общие сведения о ключевых элементах.

Ключевым элементом, или просто ключом называется устройство для открывания или закрывания канала, по которому передается энергия. По физической природе ключи делятся на электрические (электронные), пневматические, гидравлические, оптические и др.

Ключи могут пребывать в одному из двух состояний: замкнутом или разомкнутом. В замкнутом состоянии ключ имеет незначительное сопротивление, в идеальном случае нулевое. В разомкнутом состоянии, наоборот, сопротивление ключа большое, в идеальном случае бесконечно большое.

Переход ключа из одного состояния в другое осуществляется скачком, за незначительный промежуток времени, под действием сигнала управления ключом. Идеальным ключом называется ключ, который в замкнутом состоянии имеет нулевое сопротивление, и бесконечно большое сопротивление в разомкнутом состоянии.

Нормально замкнутые — ключ пребывает в замкнутом состоянии при условии отсутствии сигнала управления.

Нормально разомкнутые — ключ пребывает в разомкнутом состоянии при условии отсутствии сигнала управления.

Переключатели — под действием управляющего сигнала переходит с нормально замкнутого состояния в разомкнутый.

По способу включения ключи делятся на Последовательные и Параллельные.

По роду переключаемой величины ключи делятся на ключи Напряжения и ключи Тока.

Коммутаторы — устройства, предназначенные для соединения или коммутации одного входного канала передачи сигналов на вход одного из выходных каналов передачи сигналов или наоборот, одного из входных каналов передачи сигналов на вход выходного.

Реальные ключи характеризуются такими параметрами:

1.Сопротивление в замкнутом и разомкнутом состоянии.

2.Длительность перехода ключа из замкнутого состояния в разомкнутый и, наоборот, переход ключа из разомкнутого состояния в замкнутый.

3.Максимально допустимый ток замкнутого ключа.

4. Максимально допустимое напряжение замкнутого ключа

Аналоговые ключи.

Аналоговые ключи имеют два состояния: замкнутый и разомкнутый, и предназначены для передачи входного сигнала на выход с высокой точностью и без искажений в замкнутом состоянии.

Источник

Виды импульсов и их параметры.

Под импульсом понимают кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня, в частности, от нулевого.

Существует два вида импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы.

Видеоимпульсы представляют собой кратковременное изменение напряжения или тока в цепи постоянного тока. Видеоимпульсы имеют прямоугольную, трапецеидальную, треугольную, экспоненциальную и колоколообразную формы (рис.15.1).

Рис. 15.1. Идеализированная форма импульсов прямоугольной (а), трапецеидальной (б), треугольной (в), экспоненциальной (г) и колоколо-образной (д) форм.

Следует иметь в виду, что реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию. Так, например, прямоугольные импульсы имеют форму, близкую к трапецеидальной, а треугольные – к экспоненциальной.

Различают импульсы положительной и отрицательной полярности, а также двухсторонние (разнополярные) импульсы («меандр»).

Рис. 15.2. Двухсторонние (разнополярные) импульсы.

Наиболее часто применяются прямоугольные импульсы.

Радиоимпульсы представляют собой кратковременные посылки синусоидального напряжения или тока. Они снимаются с выхода высокочастотного генератора, который управляется (модулируется) видеоимпульсами. Поэтому форма огибающей радиоимпульсов соответ-ствует форме модулирующих видеоимпульсов (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Виды радиоимпульсов прямоугольной (а), трапецеидальной (б), треугольной (в), экспоненциальной (г, д) форм.

Введём понятие об основных параметрах импульса на примере реального прямоугольного импульса. Как показано на рис. 15.4 такие импульсы имеют передний фронт, срез (задний фронт) и плоскую вершину (участок импульса между фронтами). На рисунке показан также спад плоской вершины (∆U) и как следствие небольшой выброс напряжения. Параметрами реального импульса являются: амплитуда импульса, его длительность и крутизна фронтов, а также мощность в импульсе.

Рис. 15.4. Импульс напряжения прямоугольной формы.

Амплитуда импульса – это наибольшее значение напряжения или тока. Амплитуда напряжения или тока выражается в вольтах, киловольтах, милливольтах, микровольтах или амперах, миллиамперах, микроамперах.

Длительность импульса. За активную длительность импульса принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соответствую-щем половине амплитуды. Иногда длительность импульса определяют на уровне 0,1 (0,1 или по основанию импульса. В дальнейшем, если это не оговорено, длительность импульса будет определяться по основанию и обозначаться . Длительность импульса выражается в единицах времени: секундах, миллисекундах, микросекундах и нано-секундах.

Длительность и крутизна фронта (спада) импульса. Длительность переднего фронта импульса определяется временем нарастания импульса, а длительность среза – временем спада импульса. Наиболее часто пользуются понятием активной длительности фронта , за которую принимают время нарастания импульса от 0,1 до 0,9 . Аналогично, длительность среза – время спада импульса от 0,9 до 0,1 .

Обычно длительность и составляет единицы процента от . Чем меньше и по сравнению с длительностью импульса, тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда, вместо и фронты импульса характеризуют скоростью нарастания (спада). Эту величину называют крутизной фронта (спада) S и выражают в вольтах в секунду. Для прямоугольного импульса приближённо:

S = (15.1)

Мощность в импульсе. Энергия W импульса отнесённая к его длительности определяет мощность в импульсе:

= (15.2)

Эта мощность выражается в ваттах, киловаттах, мегаваттах.

2. Параметры импульсных последовательностей.

Импульсы, повторяющиеся через равные промежутки времени, образуют периодическую последовательность. Такая последовательность, параметры которой изменяются в соответствии с передаваемой инфор-мацией, является сигналом.

Кроме параметров, присущих одиночному импульсу, импульсная последовательность характеризуется дополнительными параметрами: периодом повторения импульсов, частотой повторения импульсов, коэффициентом заполнения, скважностью импульсов, а также средним значением мощности импульсного колебания .

Период и частота повторения импульсов. Промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов называют периодом повторения (следования) импульсов. Он выражается в единицах времени: секундах, миллисекундах, микросекундах. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения (следо-вания) импульсов. Частота повторения импульсов определяет количество периодов в течение одной секунды и выражается в герцах, килогерцах, мегагерцах (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Последовательность треугольных импульсов.

Коэффициент заполнения и скважность импульсов. Часть периода Т занимает пауза – это отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов, т.е.:

= — (15.3)

Отношение длительности импульса к периоду повторения называют коэффициентом заполнения:

γ = (15.4)

Коэффициент заполнения – величина безразмерная меньше единицы.

Величину обратную коэффициенту заполнения называют скважностью импульсов:

q = = (15.5)

Скважность величина безразмерная больше единицы.

Среднее значение напряжения (тока) импульсного колебания. При определении среднего за период значения напряжения (тока) импульсного колебания ( ), напряжение или ток распределяют рав-номерно на весь период так, чтобы площадь прямоугольника была равна площади импульса .

Так как для прямоугольного импульса:

= (15.6)

и = = γ = (15.7)

т.е. среднее значение напряжения (тока) прямоугольного импульсного колебания в q раз меньше амплитудного.

Средняя мощность . Энергия W импульса, отнесённая к периоду импульсов определяет среднюю мощность импульса:

= (15.8)

Сравнивая выражения и , получим:

= (15.9)

= = q (15.10)

= = (15.11)

Т.е. средняя мощность и мощность в импульсе отличаются в q раз. Отсюда следует, что мощность в импульсе, которую обеспечивает генератор, может в q раз превосходить среднюю мощность генератора.

Источник