Скважность импульсов

Электрические сигналы, которые имеют только 2 допустимых состояния «0» или «1», что соответствует уровню напряжения 0.2 вольта (В) или 4.9В, называются импульсными. В основном, оперируют с последовательностью импульсов. Одна из простейших последовательностей импульсов показа на рис. ниже.

Общая информация

К основным параметрам последовательности импульсов относятся:

Если длительность tu всех импульсов, входящих в состав последовательности, и всех пауз tn постоянна в течение времени, то она называется периодической.

Важным параметром периодического импульсного процесса является скважность импульсов S. Скважность импульсов – это отношение периода следования к длительности импульса, рассчитывается по формуле:

Эффективность S при управлении устройства достигается при стабильной частоте сигнала. Иногда используют обратную величину D – коэффициент заполнения, рассчитывается по формуле:

При равенстве tu и tn скважность равна 2, и сигнал называется меандром. S и D – безразмерные величины, так как время делится на время. В цифровых устройствах применяются импульсы различной формы. Формой импульса называется графическое изображение закона изменения импульсного напряжения во времени. На рис. ниже показаны формы сигналов:

Техническая характеристика формы импульсов связана с количественной оценкой основных параметров импульса, свойств отдельных его участков, которые играют разную роль при воздействии импульса на устройство. На рис. выше изображены идеализированные формы импульса. Из-за переходных процессов в устройствах (формирования и усиления импульсов) существует реальная форма, например, прямоугольного импульса (рис. ниже).

Основные параметры импульса – это:

Указанные величины считываются между уровнями 0.1 и 0.9 от амплитуды в микросекундах, в зависимости от частоты сигнала. Амплитудные – в вольтах.

Определить параметры импульсного сигнала можно с помощью осциллографа, частотомера или мультиметра.

Управление скважностью

С помощью цифровых сигналов происходит управление разнообразными устройствами. Первое применение такого управления использовалось при передаче информации кодом Морзе. Сигнал передаётся короткими и длинными импульсами. Каждой букве соответствует определённый набор точек и тире. Сегодня этот метод управления используется для ШИМ-управления.

При изменении D (коэффициент заполнения) от 0 до 1 добиваются нужного напряжения на выходе электронного устройства. Таким образом, можно управлять оборотами двигателя, освещением, яркостью дисплея и т.д. При формировании прямоугольных импульсов используются специально разработанные микросхемы, например, NE555, NL494, КР1006ВИ1, IR2153, и микроконтроллеры: Arduino, AVR, SG2525A.

Для обеспечения надёжной работы управляемых устройств к параметрам импульсного сигнала предъявляются жестокие требования по их стабильности. Это достигается применением кварцевого генератора и хорошей переходной характеристикой схемы формирования управляющих импульсов.

Видео

Источник

Коэффициент заполнения импульсного сигнала. Скважность импульса прямоугольной / сложной формы. Симметричные сигналы

Определение коэффициента заполнения, скважности, обобщенного коэффициента заполнения. Значения для синусоидального и треугольного сигналов. Применение в расчетах. Отношение среднего арифметического значения напряжения к действующему (эффективному) (10+)

[Коэффициент заполнения] = [Длительность импульса (L), с] / [Период следования импульсов (T), с]

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Как мы видим, чем короче импульс, тем меньше коэффициент заполнения. Если длительность импульса стремится к нулю, то и коэффициент заполнения стремится к нулю.

[Скважность] = [Период следования импульсов (T), с] / [Длительность импульса (L), с]

Чем короче импульс, тем больше скважность. Если длительность импульса стремится к нулю, то скважность стремится к бесконечности.

Обобщенный коэффициент заполнения, скважность

Для сложных сигналов также можно ввести понятия коэффициента заполнения и скважности. Будем называть их обобщенными.

[Обобщенный коэффициент заполнения] = [Среднеарифметическое значение напряжения сигнала за период, В] / [Амплитуда сигнала (A), В]

Легко показать, что эта формула для прямоугольных импульсов сводится к приведенной выше.

[Обобщенная скважность] = 1 / [Обобщенный коэффициент заполнения]

Обобщенным коэффициентом заполнения оперируют довольно часто. К понятию обобщенной скважности практически не прибегают.

Для симметричных сигналов описанный выше коэффициент заполнения будет равен нулю, так как среднее арифметическое симметричного сигнала равно нулю. Для анализа симметричных периодических сигналов применяется понятие коэффициента заполнения полупериода. Для его расчета используется формула:

[Обобщенный коэффициент заполнения полупериода] = [Среднеарифметическое значение напряжения сигнала за полупериод, В] / [Амплитуда сигнала (A), В]

Коэффициент заполнения полупериода используется для расчета схем с трансформаторами, катушками индуктивности или конденсаторами. Например, чтобы определить, до какого напряжения за полупериод зарядится конденсатор, нужно посчитать довольно замысловатый интеграл или воспользоваться простой формулой:

[Напряжение на конденсаторе в конце полупериода, В] = [Напряжение на конденсаторе в начале полупериода, В] + [Обобщенный коэффициент заполнения полупериода] * [Амплитуда силы тока, А] * [Длительность полупериода, с]

[Сила тока в катушке индуктивности в конце полупериода, А] = [Сила тока в начале полупериода, А] + [Обобщенный коэффициент заполнения полупериода] * [Амплитуда напряжения, В] * [Длительность полупериода, с]

Обобщенные коэффициенты заполнения для разных распространенных сигналов можно взять из таблиц. Иногда известно не амплитудное, а действующее значение. Тогда полезен будет другой коэффициент: отношение среднего арифметического значения к действующему. С математической точки зрения он равен отношению среднего арифметического к среднему квадратичному.

[Напряжение на конденсаторе в конце полупериода, В] = [Напряжение на конденсаторе в начале полупериода, В] + [Отношение среднего арифметического значения силы тока к действующему] * [Действующее значение силы тока, А] * [Длительность полупериода, с]

[Сила тока в катушке индуктивности в конце полупериода, А] = [Сила тока в начале полупериода, А] + [Отношение среднего арифметического значения напряжения к действующему] * [Действующее значение напряжения, В] * [Длительность полупериода, с]

Для синусоидального сигнала

[Обобщенный коэффициент заполнения полупериода] = 0.637

[Отношение среднего арифметического значения напряжения к действующему] = 0.9

Для треугольного сигнала

[Обобщенный коэффициент заполнения полупериода] = [L, с] / [T, с] / 2

[Отношение среднего арифметического значения напряжения к действующему] = [Корень квадратный из 3] * [L, с] / [T, с] / 2

В литературе нередко понятием ‘Коэффициент заполнения’ обозначают то коэффициент заполнения периода, то коэффициент заполнения полупериода, то отношение среднего значения к действующему. Так что, о чем идет речь, приходится понимать по контексту.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.

Конструирование (проектирование и расчет) источников питания и преобра.
Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Прим.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Источник

Что такое скважность

Одной из важнейших величин в импульсной технике является скважность S. Скважность S характеризует прямоугольный импульс, и определяет то, во сколько раз период импульса T больше его длительности t1. Так, меандр, например, имеет скважность равную 2, поскольку длительность импульса в такой последовательности равна половине его периода: S=T/t1=2.

Как видим, и в числителе, и в знаменателе стоят продолжительности, измеряемые в секундах, поэтому скважность — величина безразмерная. Для справки напомним, что меандр — это такая импульсная последовательность, где длительность положительной части импульса t1 равна длительности его исходного состояния t0.

Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения D. Таким образом, теоретически скважность может изменяться от бесконечности до 1, тогда как соответствующий ей коэффициент заполнения может принимать значения от 0 до 1. Записывать величину скважности часто более удобно, чем коэффициент заполнения в виде дроби.

Например: D=0.5 – коэффициент заполнения меандра, или скважность S=2 – более удобочитаемая запись того же самого. Скважность S=10 соответствует коэффициенту заполнения D=0.1 — имеется ввиду, что продолжительность импульса в 10 раз меньше его периода (суммы его положительной и исходной частей).

Когда заходит речь о широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то говорят, что при в драйвере происходит изменение ширины или длительности импульса, практически имеется ввиду изменение скважности при постоянной частоте. В этом контексте чем больше скважность — тем уже импульс, чем меньше скважность — тем шире импульс.

Давайте рассмотрим простой практический пример. Лампочка включается на одну секунду через каждые 59 секунд, затем на 59 секунд гаснет, и так все время повторяется в течение неопределенного времени.

Что это значит? Длительность импульса t1 = 1 секунда, период импульса T = 59+1 = 60 секунд. Следовательно с какой скважностью включается лампочка?

Со скважностью S = 60/1. Скважность 60. Значит коэффициент заполнения равен 1/60, то есть D = 0,01666 или duty cycle 1,66%. В данном примере отчетливо видно, что запись в терминах скважности S = 60 более удобочитаема и точна, чем запись в форме коэффициента заполнения D = 0,01666 или duty cycle 1,666%.

Наконец, еще одно полезное применение скважности. Счетчики-дешифраторы импульсов (типа К561ИЕ8) способны делить импульсную последовательность на отдельные импульсы, здесь снова значение скважности подходит лучше, оно может быть определено через разрядность счетчика и сосчитано (пропорционально количеству импульсов, подсчитанных счетчиком).

Таким образом, даже для цифровой техники оперирование напрямую скважностью импульсов часто оказывается более удобным, чем свойственным принятому в англоязычной литературе коэффициентом заполнения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Все об скважности сигнала

Множество приборов работает с импульсными сигналами. Создаются они с помощью специальных схем-генераторов. Наиболее важная их характеристика – скважность.

Чем отличается скважность и коэффициент заполнения импульсов

Одной из наиболее важных величин в импульсной электронике – это скважность, обозначаемая латинской буквой S. Она дает характеристику импульсам прямоугольной формы и показывает, как относится их период T ко времени t1. К примеру, коэффициент меандра равен 2, поскольку время t1 в этой последовательности составляет половину периода: S = T / t1 = 2.
И в числителе, и в знаменателе находится время, выраженное в секундах. При вычислениях они сокращаются, поэтому коэффициент является величиной, не имеющей единиц измерения.

Генератор скважности

Меандр представляет собой поток импульсов, в котором отрицательные и положительные части имеют одинаковую продолжительность.
Инверсия скважности имеет название коэффициент заполнения. Следовательно, скважность способна принимать множество значений от бесконечности до единицы, а рабочий цикл этого же потока импульсов, как еще могут называть коэффициент заполнения, способен принимать значения от 0 до 1. Часто удобней записывать не данный коэффициент, измерение которого производится десятичными дробями, а скважность, которая равна, чаще всего, целому числу.
Например: D = 0,5 или S = ​​2 – эти две записи означают одно и то же, но вторую читать легче. Рабочий цикл S = 10 соответствует показателю D = 0,1 – это означает, что длительность импульса в 10 раз меньше его периода.
В широтно-импульсной модуляции (сокращенно, ШИМ) прибор изменяет ширину или продолжительность импульса, при этом будет соответственно изменяться и коэффициент. Частота при этом будет постоянной. В таком случае, чем больше величина, показывающая скважность, тем более узким будет импульс, и, наоборот – при минимальной скважности будет достигаться максимальная ширина.
При изучении данного явления просматривается этимологическая связь с словом «скважина» из русского языка: широкая скважина (на самом деле, это промежуток между импульсами в потоке) – положительные части узкие, узкая скважина – положительные части широкие (но свободное пространство между ними мало).

Важно: У англоязычных авторов термин «скважность» не встречается вовсе, а для его замены применяют понятие «рабочий цикл» – аналогичный российскому коэффициенту заполнения (D). Однако в английской литературе он выражается не дробным числом, а процентом. Например, если D = 0,5 в западных пособиях будет указано: D = 50%.

Характеристики скважности

Коэффициент заполнения и показатель скважности зависят от уровня получаемого колебания, при этом его частота определяется параметрами генератора. Для вычисления скважности имеют наибольшее значение два основных критерия:

Принцип действия

Для формирования прямоугольного колебания в устройствах-модуляторах имеется специальная микросхема-контроллер либо аналоговая микросхема. Подключение происходит посредством цепи на полупроводнике. Полупроводник имеет только два состояния:

Важно! Работа всей цепи зависит от характера колебаний. Следовательно, если лампа подключена через полупроводниковый прибор, она начнёт мерцать с заданной частотой.

Однако, когда частота превышает 50 Гц, из-за особенностей глаз человека, мигание сливается в единое свечение. Но таким образом можно регулировать и яркость свечения. Снижение коэффициента повлечет за собой уменьшение яркости света, выдаваемой лампой.

Подобную схему можно использовать для постоянных двигателей. Уменьшение частоты провоцирует снижение скорости вращения двигателя, а высокие – к большей мощности агрегата.

В аналогичных устройствах применяется полупроводниковый переключатель, который имеет высокую скорость срабатывания и низкую проводимость, поскольку в противном случае устройство может запаздывать.

Как обозначается

Скважность обозначается английской буквой S, величина, обратная ей – коэффициент заполнения – буквой D. Данные обозначения используются и в русской, и в англоязычной литературе.

Формы сигналов

Сигналы различаются по форме и характеристикам:

Важно! Период и частота математически зависят друг от друга. По мере того, как период уменьшается, частота увеличивается, и наоборот.

Важно! Сигнал может принимать и положительные, и отрицательные значения, подвергаясь изменениям. В показанном потоке время положительного импульса больше, чем длительность отрицательного импульса, хотя бывает и наоборот.

Как измерить скважность с помощью формулы

Скважность прямоугольных импульсов S – это отношение периода T ко времени импульса, обозначаемого буквой t1. Также, стоит отметить, что рабочий цикл D – это значение обратное скважности:

Скважность формула

Скважность сигнала – одна из самых важных характеристик в импульсной технике. Ее основные характеристики – это период и время численного значения импульса. Изменяя эти характеристики, можно повлиять на всю цепь.

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