Меню

Изменение скважности импульсов напряжением

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.

Последовательность импульсов

Общая информация

К основным параметрам последовательности импульсов относятся:

  • l амплитуда импульса – Um,
  • l длительность импульса – tu,
  • l длительность паузы – tn,
  • l период следования T или частота f = 1/T следования.

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 импульсовэто отношение периода следования к длительности импульса, рассчитывается по формуле:

Эффективность S при управлении устройства достигается при стабильной частоте сигнала. Иногда используют обратную величину Dкоэффициент 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:

  • а – прямоугольная,
  • б – трапецеидальная,
  • в – экспоненциальная,
  • г – колокольная,
  • д – ступенчатая,
  • е – пилообразная.

Виды импульсных 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).

Реальная форма импульса

Основные параметры импульса – это:

  • l Размах импульса – Um,
  • l Длительность импульса – tи,
  • l Длительность переднего фронта – tф,
  • l Длительность заднего фронта – tсп,
  • l Спад вершины – ΔU,
  • l Размах выброса заднего фронта – Um обр,
  • l Длительность выброса заднего фронта – tи обр.
Читайте также:  Запчасти для стабилизатора напряжения svc

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



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.

Читайте также:  Формула расчета потери напряжения однофазного

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).

Продолжительность импульсовКогда 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.

Здесь и просматривается этимологическая связь с русским словом «скважина»: большая скважина (по сути — яма между импульсами в последовательности) — сам импульс выглядит как более узкий, маленькая скважина — импульсы широкие (а вот яма между ними — узкая).

Коэффициент заполнения

В англоязычной литературе не используется термин «скважность», а используется лишь термин «duty cycle» — рабочий цикл, являющийся аналогом русскоязычного термина «коэффициент заполнения» (D), только указывается он обычно не дробью, а в процентах. Например, мы пишем D=0.5, а в англоязычной литературе можно встретить 50% duty cycle или D = 50%, когда речь идет о меандре. Или D = 30% если длительность импульса соотносится с его периодом как 30 к 100.

Импульсная последовательность на осциллографе

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%.

Читайте также:  Напряжение во вторичной цепи системы зажигания

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.

Источник