Рис.1. Виды идеализированных импульсов

Обратимся для примера к идеализированному импульсу, который называют трапецеидальным (рис. 1). Участок импульса AB называют фронтом, участок BC - вершиной, участок CD - срезом; отрезок времени AD - основанием. Иногда участок AB называют передним фронтом, а участок CD - задним фронтом. Фронт соответствует быстрому возрастанию сигнала; вершина - медленному его изменению; срез - быстрому убыванию сигнала.

Обратимся к идеализированному, но более сложному по форме импульсу (рис. 2). Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называется хвостом импульса, или обратным выбросом.

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

- амплитуда импульса;

- длительность импульса, которая определяется на уровне ;

- длительность фронта импульса, т.е. время установления или нарастания фронта импульса - временем нарастания сигнала от уровня до уровня своего установившегося значения;

- длительность среза импульса, которая определяется аналогично ;

- длительность вершины импульса, обычно определяется на уровне ;

- длительность хвоста импульса;

- спад вершины импульса - находится как разность высоты импульса в момент окончания переходного процесса и в момент окончания вершины импульса;

- амплитуда обратного выброса, которая характеризует наибольшее превышение высоты импульса в переходном процессе над его высотой в квазистационарном процессе.

Так как длительность фронта и длительность среза определяют по уровням и , то их иногда называют активными длительностями фронта и среза. Часто вводят так называемую активную длительность импульса , измеряемую на уровне . Смысл введения этой величины заключается в том, что часто основной результат воздействия импульса на то или иное устройство проявляется только после того, как его значение достигнет некоторого уровня, близкого к 50% высоты импульса.

В ряде случаев представляет интерес относительная величина спада вершины:

Рис.2. Более сложный идеализированный импульс.

При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных соглашений.

Обратимся теперь к периодически повторяющимся импульсам (рис.3):

Рис.3. Периодически повторяющиеся импульсы.

В этом случае используются следующие параметры:

- период повторения импульсов;

- частота повторения импульсов;

- длительность импульса;

- длительность паузы;

- скважность импульсов;

- коэффициент заполнения.

Частоту повторения выражают в герцах, а скважность и коэффициент заполнения в относительных единицах.

Частотные искажения в области низких частот характеризуются спадом вершины выходного импульса при подаче на вход импульсного сигнала прямоугольной формы: чем больше спад вершины импульса, чем выше нижняя граничная частота пропускания цепи и наоборот.

Искажение фронта нарастания импульсного сигнала характеризуют частотные искажения в области высоких частот.

Устройства, в которых выполняются основные виды преобразований импульсных сигналов или используются эти сигналы, можно подразделить на несколько видов:

1) электрические цепи, обеспечивающие неискаженную передачу импульсов; к ним обычно относят кабели и трансформаторы для передачи импульсов, линии задержки, усилители импульсов (видео-усилители) и др.

2) устройства преобразования импульсов, обеспечивающие получение импульсов одной формы из импульсов другой формы или получение импульсов той же формы но с другими параметрами; в этой группе различают линейные преобразователи импульсов; нелинейные формирующие устройства, к ним относят: ограничители, фиксаторы уровня, компараторы, триггеры Шмита; формирователи импульсов из перепадов сигнала; преобразователи импульсов цифровых устройств, к ним относят логические элементы, триггеры, счетчики, регистры, различные комбинационные устройства.

3) устройства, генерирующие импульсы, или импульсные генераторы. В зависимости от режима работы их подразделяют на автоколебательные (автогенераторы), заторможенные и на генераторы, работающие в режиме синхронизации или деления частот

1. Проработка научно-технической литературы

В системах передачи информации для ослабления влияния случайных флуктуаций, а также для управления в устройствах автоматики нередко требуется из коротких импульсов получать более широкие, определенной длительности. Эта задача легко реализуется с помощью ждущего мультивибратора (одновибратора). Одновибратор является триггерной схемой, которая генерирует одиночный импульс под действием внешнего управляющего сигнала. При этом подразумевается, что формируемый импульс превышает длительность запускаемого.

Как правило, применяют один из двух методов формирования импульса: аналоговый или цифровой. Наиболее простым является аналоговый - используется процесс перезаряда конденсатора.

Рис. 1.1. - Формирователь широкого импульса с использованием триггера Шмитта

Пример такой схемы показан на рис. 1.1. Для правильной работы данного одновибратора необходимо, чтобы длительность входного запускающего импульса была достаточно большой, чтобы конденсатор успел полностью разрядиться. После окончания запускающего импульса конденсатор заряжается через резистор до величины напряжения питания. При этом, как только напряжение достигнет -- элемент D2.1 переключится. В этом случае длительность выходного импульса () зависит от номиналов установленных емкости и резистора во времязадающей цепи. Упрощенная формула позволяет ориентировочно рассчитать длительность импульса ,

где -- напряжение питания схемы; - уровень используемого порога (рис. 1.2) для переключения элемента.

Рис. 1.2. - Области допустимых уровней сигнала на входе МОП микросхем

С учетом разброса значений напряжения порога переключения () длительность импульса может принимать значения от до . Обычно в одновибраторах используются ЛЭ из одного корпуса (кристалла). В этом случае разброс оказывается незначительным и можно принять . Это соотношение используется для определения длительности импульса в большинстве схем

Применяемые в схемах диоды ускоряют процесс перезаряда емкости, что уменьшает возможности возникновения импульсных помех на выходе ЛЭ.

Чтобы выходное сопротивление ЛЭ не сказывалось на точности расчета, а также не перегружался выход, резистор должен быть номиналом не менее 10...20 кОм. Чтобы пренебречь при расчетах емкостью монтажа, минимальная емкость может быть 200...600 пФ. Для получения высокой температурной стабильности временного интервала номинал должен быть < 200 кОм, а конденсатор не более 1, 5 мкФ. Использование электролитических конденсаторов увеличивает нестабильность временного интервала.

Для уменьшения влияния разброса значений на длительность формируемого импульса можно воспользоваться схемами с двумя времязадающими цепями (рис. 1.3). Если постоянные времени обеих времязадающих цепей одинаковы, то при максимальном разбросе значений от до изменение длительности формируемого импульса не превышает 9%.

Рис. 1.3 - Одновибраторы с двумя времязадающими цепями

Выполнение одновибраторов на RS-триггере, рис. 1.4, дает возможность иметь два раздельных входа запуска (по переднему фронту импульса), а также сразу получать на выходах прямой импульс и импульс с инверсией. Еще одним преимуществом одновибраторов на RS-триггерах является возможность осуществлять запуск от медленно меняющегося входного напряжения.

Рис. 1.4. - Ждущие мультивибраторы: а) на D-триггере; б) на JK-триггере, в) с повышенной стабильностью при изменении питания

Второй метод получения импульса нужной длительности связан с использованием счетчиков -- цифровых одновибраторов Их применяют, когда временной интервал должен быть очень большим или предъявляют высокие требования к стабильности формируемого интервала. В этом случае минимальная получаемая длительность ограничена только быстродействием используемых элементов, а максимальная длительность может быть любой (в отличие от схем, использующих RC-цепи).

Рис. 1.5 - Цифровой одновибратор на программируемом счетчике.

Принцип работы цифрового одновибратора основан на включении триггера входным сигналом и отключении через временной интервал, определяемый коэффициентом пересчета счетчика. Использование в одновибраторе счетчиков с переключаемым коэффициентом деления, рис. 1.5, позволяет получить импульс любой длительности. Микросхема 564ИЕ 15 состоит из пяти вычитающих счетчиков, модули пересчета которых программируются параллельной загрузкой данных в двоичном коде. На загрузку чисел в счетчики требуется три такта, поэтому можно устанавливать коэффициент деления N>3

При работе цифрового одновибратора с кварцевым автогенератором тактовой частоты обеспечивается более высокая стабильность длительности выходного импульса, что позволяет их применять в измерительных приборах.

Рис. 1.6. - Цифровой одновибратор с повышенной стабильностью временного интервала

На рис. 1.6 показан пример простейшей схемы для получения импульса с помощью счетчика. Работу одновибраторов поясняют диаграммы, показанные на рисунках. Недостатком приведенной схемы является случайная погрешность, связанная с произвольностью фазы задающего генератора в момент запуска. Погрешность может составлять до периода тактовой частоты и уменьшается с увеличением частоты генератора и коэффициента пересчета счетчика.

Проработав рекомендованную литературу, я понял, что можно реализовать предложенную задачу двумя способами. При помощи аналоговых схем или при помощи цифровых. Приняв во внимание то, что аналоговая схема очень большая и требует много расчетов. Я остановился на цифровой схеме, которая меньше по своим размерам и занимает, не много времени в расчетах, а самое главное то, что при использовании цифровой схемы повышается точность работы.

1.2 Функциональная схема универсального расширителя импульсов

2. Разработка и описание принципиальной схемы устройства