Некоторые свойства высокочастотных ситаллов

Способы сохранения целостности сигнала на высоких частотах

Некоторые свойства высокочастотных ситаллов

Современные устройства связи должны быть оснащены дополнительными функциями, такими как воспроизведение видео, обмен со скоростью несколько Гбит/с или интернет-телевидение. Все это увеличивает требуемую полосу пропускания устройства и, кроме того, накладывает дополнительные требования на скорость работы схем памяти.

Современные стандарты и протоколы работают уже не в мегагерцовом диапазоне, а на скоростях 3…10 ГГц. С другой стороны, основа любой платы — проводящие дорожки — по-прежнему в большинстве случаев изготавливаются из меди, для которой частоты 1…3 ГГц являются предельными.

Таким образом, совершенствованию устройств мешают не только технологический предел изготовления ИС, но и проблема их соединения. Современные печатные платы становятся непригодными для таких скоростей из-за большого уровня помех.С распространением высокоскоростных приложений проблема сохранения целостности передаваемых сигналов усугубилась.

Целостный цифровой сигнал — это сигнал с четкими и быстрыми переходами, стабильными и четкими логическими уровнями, точными соотношениями во времени. В нем не должно быть переходных процессов. На высоких частотах (ВЧ) проявляются те эффекты, о которых не задумывались раньше и которые существенно влияют на передаваемый сигнал.

Проводники из одиночной линии связи преобразуются в довольно сложную сеть паразитных элементов, которые возникают на всех участках проводника, в т.ч. в отверстиях и на контактных площадках. Вторая проблема связана с отраженными сигналами, которые накладываются на исходный и искажают его форму.

Чаще всего отражения происходят в местах поворота, разветвления и перехода печатного проводника через сквозные отверстия. Это происходит главным образом из-за изменения ширины пути прохождения тока, которое приводит к рассогласованию линии. Кроме того, на ВЧ усиливается скин-эффект, в результате чего могут подавляться некоторые гармоники сигнала.

Существует несколько подходов к сохранению целостности сигнала. Среди них есть как экономически неоправданные, например переход на более дорогие соединители и материалы для печатной платы, так и схемотехнические, не требующие дополнительных затрат.

В некоторых случаях применение методик, которые мы рассмотрим, позволяет улучшить характеристики старых схем или повысить степень интеграции в новых разработках.

Среди самых удачных решений — схемы компенсации, которые также называют цепями предварительного искажения (предыскажения) или обратной коррекции.

Во многих случаях можно обойтись простыми асинхронными схемами, для работы которых не требуется тактирование, а только питание и несколько контрольных точек. Такие схемы характеризуются малой задержкой и универсальны, они подходят для большинства протоколов и скоростей передачи. Благодаря тому что они имеют малый размер, их всегда без труда можно разместить на плате.

Источники потерь

Прежде чем перейти к решению проблемы, рассмотрим причины, по которым сигнал искажается. По мере прохождения сигнала по линии на него накладываются отраженные сигналы, амплитуда уменьшается, изменяется наклон и четкость фронтов, появляются разрывы и неравномерности.

Зачастую между проводниками из соседних слоев возникает емкостная связь, и создаются перекрестные помехи, поэтому надо следить, чтобы проводники не были расположены строго друг под другом.На качество распространения сигнала влияет все, начиная от материалов печатной платы и проводников и заканчивая топологией схемы.

На рисунке 1 приведены глазковые диаграммы передачи по двуаксиальному кабелю длиной 12 м сигнала с частотой от 250 МГц до 10 ГГц. Видно, что начиная с частоты около 1 ГГц раствор диаграммы быстро сужается, что говорит о непригодности такого кабеля для передачи информации на высоких частотах.

Для передачи ВЧ-сигналов проводники следует выполнять в виде линии передачи, чтобы уменьшить искажения и снизить уровень электромагнитных излучений.

Как упоминалось выше, большинство современных видеостандартов и протоколов связи подразумевает работу со скоростью 3…10 Гбит/с.

Поскольку достойной и экономически выгодной замены медному кабелю пока не найдено, для уменьшения потерь приходится использовать схемы компенсации, о которых будет рассказано далее. Конечно, есть и другой выход — применять более качественные материалы, однако кабель, обладающий вдвое лучшими характеристиками, обойдется на порядок дороже. То же самое относится и к материалам печатных плат.

Нежелательные эффекты могут возникать от неправильного заземления. Соединительные отверстия между слоем земли и земляными полигонами на других слоях необходимо располагать по всей плате, чтобы исключить появление резонансов и образование альтернативных путей распространения сигнала.

На рисунке 2 приведен пример «прошивания» такими отверстиями слоя с дифференциальными парами. Чем выше частота работы микросхемы, тем ближе следует располагать отверстия. Второй момент, на который следует обратить внимание, касается сквозных отверстий.

В двусторонних и многослойных печатных платах толщина самой платы становится сравнимой с длиной волны сигнала. В связи с этим важно соблюдать согласование слоев, приведя импеданс отверстия к 50 Ом. Тогда при переходе сигнала на другой слой не возникнет отражений.

На частотах порядка сотен МГц уже начинают появляться индуктивные и емкостные свойства элементов, и их нельзя оставлять без внимания. Они могут создавать дополнительные пути распространения сигнала либо входить в резонанс с гармониками.

Чем выше частота работы, тем сильнее затухает сигнал в силу диэлектрических свойств компонентов и материала платы.Стоит заметить, что не все потери приводят к неправильной работе схемы. При разработке схемы следует закладывать некоторый запас по потерям.

Например, если запас равен 20 дБ, то при наведении на линию паразитного сигнала мощностью, не превышающей 1% от полезного сигнала (т.е. напряжением до 10% от полезного сигнала) сбоя не произойдет.

Если же запас по потерям 30 дБ, то схема может обеспечить нормальную работу лишь при потерях мощностью не более 0,1% от полезного сигнала (напряжением 3,2% от полезного сигнала).

Все эти условия влияют на целостность передаваемых сигналов. Идеальный цифровой импульс составляет единое целое по времени и амплитуде. На нем нет искажений и нестабильности фронтов, его переходы быстрые и четкие. По мере увеличения быстродействия системы поддерживать идеальные характеристики сигнала становится все труднее.

Общие правила проектирования

Следование нескольким простым правилам поможет улучшить целостность сигнала без каких-либо дополнительных затрат. Во-первых, в схеме лучше использовать развязывающие конденсаторы с разными емкостями. Характеристики конденсаторов на высоких частотах имеют сложный вид, появляются индуктивные составляющие.

Если в схеме использовать развязывающие конденсаторы с номиналами, скажем, 0,01…1 мкФ, то этот эффект «размажется» по некоторому диапазону частот и будет не так опасен. Во-вторых, следует отказаться от разделительных конденсаторов, заменив их полупроводниковыми элементами или полосковыми линиями.

Это позволит избежать лишних разрывов сигнала, обусловленных прохождением через конденсаторы, и сохранить место на плате.

Далее приведено несколько советов, относящихся к топологии схемы: – соблюдайте изоляцию линий, располагая их на расстоянии в три раза большем, чем толщина диэлектрика;– старайтесь использовать как можно меньше сквозных отверстий и переходов сигнала на другой слой;– делайте больше соединительных отверстий между полигонами земли;– не допускайте, чтобы краевые емкости превышали 10—20% от общей, иначе усилится скин-эффект;

– следите, чтобы линии в дифференциальной паре были одинаковой длины, чтобы задержки в них совпадали.

Время нарастания фронта и предыскажения

Сигналы с короткими фронтами распространяются с меньшими потерями. Во многих случаях такие сигналы не нуждаются в предварительном искажении. Сигналы с быстрым нарастанием фронта потребляют меньше энергии и наводят меньше перекрестных помех, чем сигналы с предыскажениями.

На рисунке 3 показаны два сигнала, имеющие одинаковую частоту 2,125 ГГц, но разное время нарастания. Видно, что второй из них имеет гораздо более четкую глазковую диаграмму. В КМОП-схемах сигналы имеют более длинные фронты, чем в кремниево-германиевых (SiGe) схемах. Таким образом, целостность сигнала в SiGe-схемах заведомо выше.

Если получить приемлемую глазковую диаграмму с помощью изменения времени нарастания фронта не получается, то следует использовать компенсирующие схемы, которые увеличивают энергию сигнала так, чтобы помехи не мешали его распространению.
В зависимости от формы выходного сигнала, при внесении предыскажений применяются различные техники. Рассмотрим пример.

Коммутатор VSC3312 (производитель Vitesse) имеет трехкаскадную схему компенсации потерь, которая борется с постоянной составляющей, медленными и быстрыми затуханиями (см. рис. 4). Принцип работы VSC3312 проиллюстрирован рисунками 5—7.

Как видно из рисунка 5, принятый цифровой сигнал имеет недостаточную амплитуду, затянутый фронт и недостаточный перепад уровней. Для коррекции сначала вводится искажение с большой постоянной времени (см. рис. 6), которое выравнивает вершину принятого импульса и немного увеличивает перепад при переключении с логического нуля на единицу.

На второй стадии (см. рис. 7) вносятся искажения с малой постоянной времени, чтобы получить всплеск на вершине передаваемого сигнала. В результате прохождения сигнала по линии эти искажения сглаживаются, а на входе приемника наблюдается четкий сигнал.

Заключение

Какому же методу стоит отдать предпочтение? Все они работают одинаково хорошо, а значит, выбор делается исходя из удобства или цены.

Компенсационные схемы имеют более широкий диапазон ослабления, поэтому при прочих равных условиях этот метод — самый лучший.

Если сравнивать действие компенсационных схем и цепей предварительного искажения, то первые способны справиться с бóльшими потерями, чем вторые.

Литература

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Ситалл, применение характеристики и свойства камня

Некоторые свойства высокочастотных ситаллов

Название «ситалл», данное этому веществу одним из его создателей, составлено из слов «стекло» и «кристалл». Ситалл относится к стеклокристаллическим материалам, по своим свойствам и структуре он является искусственным обсидианом. Но в ходе совершенствования технологии его производства ситалловое стекло приобрело ряд качеств, которые отсутствуют у его вулканического двойника.

Особенности ситалла делают его редким по универсальности материалом. Он оказался способным удовлетворить высоким требованиям таких сфер, как ювелирное дело, ракетная и авиационная промышленности, производство астрономической оптики, микроэлектроника, лазерная техника, машиностроение. И это лишь краткий перечень отраслей, в которых применение ситаллов оказалось оправдано.

Ценные качества

Правильнее будет сказать, что не сами свойства ситалла, а некоторые уникальные их сочетания сделали его таким востребованным.

  • Высокая твердость – 8 единиц по шкале Мооса (для сравнения, алмаз имеет 10 единиц). По показателю твердости это вещество сопоставимо с закаленной сталью.
  • Значительная прочность – ее предел находится около 250 мПа.
  • Небольшая плотность – 2400-2900 кг/м3. Это наименьший показатель плотности среди всех видов стекла, следовательно, этот материал более легкий по весу.
  • Способность выдерживать высокие температуры – до 1000 градусов по Цельсию не наступает плавление ни одного из видов ситалла. В зависимости от примесей, которые добавляют при его изготовлении, материал может обладать еще большей термоустойчивостью.
  • Стойкость перед воздействием химических веществ.
  • Отсутствие пористости – этот показатель равен нулю.
  • Способность к электроизоляции.

Это базовый набор. В зависимости от назначения производимого образца, камень ситалл может иметь и другие свойства. На данный момент технология его производства делает возможным наделять его экземпляры следующими качествами:

  • Абсолютная прозрачность.
  • Наличие собственного магнитного поля.
  • Способность проводить электрический ток (но ограниченная, ситалл может быть только полупроводником).
  • Возможность пропускать радиоволны.

Путь ситалла: от напольного покрытия до ювелирного украшения

Впервые материал, подобный описываемому, был создан в 1739 году Рене Реомюром, ставившим цель получить термостойкое стекло. Опыт был удачным, но дальнейшего развития эта история не получила. Лишь спустя два столетия наука снова вернулась к попыткам создать такое вещество. На этот раз ситалловое стекло быстро нашло себе место в промышленности.

Стекло, изготовленное Реомюром, было непрозрачно-белым и больше похожим на фарфор. Такая особенность объясняется относительно крупным размером микрокристаллов, составляющих этот материал.

Ученым XX века удалось создать ситалл с мелкокристаллической структурой за счет увеличения скорости кристаллизации, происходящей при плавке, и умножения числа ее центров в обрабатываемой массе. Для этого в основу стали добавлять специальные компоненты – нуклеаторы и ускорители.

Благодаря этой модификации технологии, у ситалла появилась характеристика прозрачности.

Однако первые образцы имели непрезентабельный вид из-за низкого качества примесей – использовались отходы металлургической промышленности. В результате получалось мутное стекло серого, болотно-зеленого оттенков.

Впрочем, ситалловое стекло изначально не задумывалось как декоративный материал, максимум, что им могли украсить это полы в цехах.

Оценив его прочность, устойчивость к температурному и химическому воздействию, этому материалу находили более практичное применение.

Спустя время ситалловое стекло начали окрашивать пигментами. К примеру, кремлевские звезды отлиты из ситалла рубинового оттенка. Но до той безупречной имитации драгоценных камней, какой он стал сегодня, ситаллу было еще далеко.

Сложность состояла в том, что это вещество нельзя окрасить тем же способом, как обычное стекло, не потеряв при этом в прозрачности. Для придания стеклу окраски при варке добавляют мельчайшие дозы металлов. Растворяясь в основе, эти примеси кристаллизуются при охлаждении.

За счет подобной равномерной кристаллизации обычное стекло получает оттенок. Но кристаллическая фаза стекла в ситалле значительно преобладает над аморфной.

Это значит, что число металлических кристаллов металла, необходимое для окрашивания такого материала, не может не сказаться на его прозрачности.

Путем долгих экспериментов, наконец, удалось разработать технологию, позволяющую сделать это. Металлы, добавленные в основу по этому методу, образуют мельчайшие кристаллы. После под воздействием температуры они исполняют роль центров кристаллизации, вокруг которых собираются кристаллы стекла, образуя сферы. Аморфное стекло скрепляет эти сферы между собой.

Вследствие этой разработки перед ситаллом открылись две новых сферы – оптика и ювелирное искусство.

Ювелирные ситаллы

Теперь, когда цвет и прозрачность ситалла могли варьироваться, стало возможным заменить им большинство драгоценных и полудрагоценных камней – изумруд, сапфир, топаз, морганит, гранат, бирюзу, цитрин, хризолит и другие.

Изделия из этого материала во многих параметрах не проигрывают натуральным аналогам, а в некоторых аспектах камень ситалл показывает преимущество перед ними.

  • Безупречная чистота. Ситалл прозрачнее настоящих камней, благодаря своему лабораторному происхождению. Его структура однородна, а равномерность окраски может быть идеальной, и он не содержит включений. Тогда как образцы природных минералов без дефектов – большая редкость.
  • Идеальная расцветка. Материалу можно придать любые цвета, что позволяет качественно имитировать с его помощью множество камней. При этом оттенок экземпляра можно приблизить к идеалу ювелирных норм, в том числе и скопировать сложную окраску таких камней, как аметрин, султанит, морганит.
  • Высокие показатели преломления света – 1,65-1,7. Это больше, чем у изумруда, граната, топаза. По блеску и сиянию искусственный камень сопоставим с сапфиром.
  • Высокая прочность и устойчивость к любым воздействиям – температурным, химическим, физическим, делают украшения с ним очень носкими. Доступно использование техники «литье с камнем», при которой некоторые природные образцы получили бы повреждения из-за высоких температур.
  • Возможность изготавливать крупные экземпляры. Поскольку камень синтетический, его размер в украшениях могут ограничивать только чувство меры и вкус.
  • Имитации легко полируются и ограняются – может быть воспроизведена любая огранка.
  • По твердости с ситаллом сопоставимы топаз, изумруд, морганит. Он превосходит хризолит и гранат и на 1 из 10 уступает сапфиру.

Самые виртуозные имитации

Топаз оттенка «Лондон». Этот аристократ среди топазов невероятно редкий и столь же великолепен внешне. Ситалл с точностью воспроизводит его холодный дымно-голубой оттенок и блеск.

Аметрин – необычный аметист, в окраске которого сочетаются два цвета – нежно-лиловый и золотисто-оранжевый. Ситалл, за счет контролируемого процесса кристаллизации, который допускает технология его получения, доподлинно копирует сложный переход тонов в глубине этого камня.

Изумруд – в природе нечасто можно найти эту разновидность берилла без посторонних включений и прочих изъянов. Ситалл, будучи материалом искусственным, может обладать чистотой и безупречностью лучших из представителей изумрудов.

Турмалин параиба – камень голубого оттенка, который словно светится изнутри за счет примеси меди и частиц золота. Ситалл образцово имитирует уникальную расцветку этого камня.

Морганит – редкий вид берилла. Обладает утонченной бледно-розовой окраской с персиковым отсветом, благодаря которому в глубине воробьевита (другое название этого камня) словно разливается золотистое сияние. В ситалле удалось передать всю сложную «рассветную» палитру этого камня и морганит пополнил список лучших его побед в ювелирном деле.

В других отраслях

Наука не остановилась на возможности задавать веществу нужную окраску. К данному моменту уже имеются способы распределять в материале зоны с определенными оптическими показателями. Это свойство в совокупности с прочностью и износостойкостью сделали ситалловое стекло идеальным материалом для изготовления сложной космической оптики.

Его устойчивость к разрушающим факторам физического, химического и температурного характера не могла не заинтересовать специалистов тех сфер, где требуется высокий уровень защиты от такого рода воздействий.

В строительстве авиационной и ракетной техники из этого материала делают переднюю часть аппарата, головной обтекатель, необходимую для преодоления сопротивления воздуха и ускорения полета. В нефтеперерабатывающей отрасли эксплуатируют ситалловые трубы.

Слоем ситалла покрывают металлические детали автомобилей. Используется стеклокерамика и в производстве предметов быта – она идет на покрытия электрических плит, сковородок, кастрюль. На основе ситалла создаются стройматериалы повышенной прочности, например, стекломрамор.

Из него изготавливают зубные коронки и костные протезы.

Совершенствование технологии производства ситалла, тем временем, продолжается. Вероятно, в ближайшем будущем человечество услышит о новых его свойствах.

Формы и характеристики электрических сигналов | РОБОТОША

Некоторые свойства высокочастотных ситаллов

Часто в электронных схемах требуется сгенерировать разные типы сигналов, имеющих различные частоты и формы, такие как меандры, прямоугольные, треугольные, пилообразные сигналы и различные импульсы.

Эти сигналы различной формы могут использоваться в качестве сигналов синхронизации, тактирующих сигналов или в качестве запускающих синхроимпульсов. В первую очередь необходимо понять основные характеристики, описывающие электрические сигналы.

С технической точки зрения, электрические сигналы являются визуальным представлением изменения напряжения или тока с течением времени.

 То есть, фактически — это график изменения напряжения и тока, где по горизонтальной оси мы откладываем время, а по вертикальной оси — значения напряжения или тока в этот момент времени.

Существует множество различных типов электрических сигналов, но в целом, все они могут быть разбиты на две основные группы.

  • Однополярные сигналы – это электрические сигналы, которые всегда положительные или всегда отрицательные, не пересекающие горизонтальную ось. К однонаправленным сигналам относятся меандр, тактовые импульсы и запускающие импульсы.
  • Двухполярные сигналы – эти электрические сигналы также называют чередующимися сигналами, так как они чередуют положительные значения с отрицательными, постоянно пересекая нулевое значение. Двухполярные сигналы имеют периодическое изменение знака своей амплитуды. Наиболее распространенным из двунаправленных сигналов, является синусоидальный.

Будучи однонаправленными, двунаправленными, симметричными, несимметричными, простыми или сложными, все электрические сигналы имеют три общие характеристики:

  • Период — это отрезок времени, через который сигнал начинает повторяться. Это временное значение также называют временем периода для синусоид или шириной импульса для меандров и обозначают буквой T.
  • Частота – это число раз, которое сигнал повторяет сам себя за период времени равный 1 секунде. Частота является величиной, обратной периоду времени, (). Единицей измерения частоты является Герц (Гц). Частотой в 1Гц, обладает сигнал, повторяющий 1 раз за 1 cекунду.
  • Амплитуда — это величина изменения сигнала. Измеряется в Вольтах (В) или Амперах (А), в зависимости от того, какую временную зависимость (напряжения или тока) мы используем.

Периодические сигналы

Периодические сигналы являются самыми распространенными, поскольку включают в себя синусоиды. Переменный ток в розетке дома представляет из себя синусоиду, плавно изменяющуюся с течением времени с частотой 50Гц.

Время, которое проходит между отдельными повторениями цикла синусоиды называется ее периодом. Другими словами, это время, необходимое для того, чтобы сигнал начал повторяться.

Период может изменяться от долей секунды до тысяч секунд, так как он связан с его частотой. Например, синусоидальный сигнал, которому требуется 1 секунда для совершения полного цикла, имеет период равный одной секунде. Аналогично, для синусоидального сигнала, которому требуется  5 секунд для совершения полного цикла, имеет период равный 5 секундам, и так далее.

Итак, отрезок времени, который требуется для сигнала, чтобы завершить полный цикл своего изменения, прежде чем он вновь повторится, называется периодом сигнала и измеряется в секундах. Мы можем выразить сигнал в виде числа периодов T в секунду, как показано на рисунке ниже.

Синусоидальный сигнал

Время периода часто измеряется в секундах ( с ), миллисекундах (мс) и микросекундах (мкс).

Для синусоидальной формы волны, время периода сигнала также можно выражать в градусах, либо в радианах, учитывая, что один полный цикл равен 360° (Т = 360°), или, если в радианах, то (T = ).

Период и частота математически являются обратными друг другу величинами. С уменьшением времени периода сигнала, его частота увеличивается и наоборот.

Соотношения между периодом сигнала и его частотой:

Гц

c

Один герц в точности равен одному циклу в секунду, но один герц является очень маленькой величиной, поэтому часто можно встретить префиксы, обозначающие порядок величины сигнала, такие как кГц, МГц, ГГц и даже ТГц

ПрефиксОпределениеЗаписьПериод
КилотысячакГц1 мс
МегамиллионМГц1 мкс
ГигамиллиардГГц1 нс
ТератриллионТГц1 пс

Меандр

Меандры широко используются в электронных схемах для тактирования и сигналов синхронизации, так как они имеют симметричную прямоугольную форму волны с равной продолжительностью полупериодов. Практически все цифровые логические схемы используют сигналы в виде меандра на своих входах и выходах.

Так как форма меандра симметрична, и каждая половина цикла одинакова, то длительность положительной части импульса равна промежутку времени, когда импульс отрицателен (нулевой). Для меандров, используемых в качестве тактирующих сигналов в цифровых схемах, длительность положительного импульса называется временем заполнения периода.

Для меандра, время заполнения равно половине периода сигнала. Так как частота равна обратной величине периода, (1/T), то частота меандра:

Например, для сигнала с временем заполнения равным 10 мс, его частота равна:

Гц

Меандры используются в цифровых системах для представления уровня логической «1» большими значениями его амплитуды и уровня логического «0» маленькими значениями амплитуды.

Если время заполнения, не равно 50% от длительности его периода, то такой сигнал уже представялет более общий случай и называется прямоугольным сигналом. В случае,  или если время положительной части периода сигнала мало, то такой сигнал, является импульсом.

Прямоугольный сигнал

Прямоугольные сигналы отличаются от меандров тем, что длительности положительной и отрицательной частей периода не равны между собой. Прямоугольные сигналы поэтому классифицируются как несимметричные сигналы.

В данном случае я изобразил сигнал, принимающий только положительные значения, хотя, в общем случае, отрицательные значения сигнала могут быть значительно ниже нулевой отметки.

На изображенном примере, длительность положительного импульса больше, чем длительность отрицательного, хотя, это и не обязательно. Главное, чтобы форма сигнала была прямоугольной.

Отношение периода повторения сигнала , к длительности положительного импульса , называют скважностью:

Величину обратную скважности называют коэффициентом заполнения (duty cycle):

Пример расчета

Пусть имеется прямоугольный сигнал с импульсом длительностью 10мс и коэффициентом заполнения 25%. Необходимо найти частоту этого сигнала.

Коэффициент заполнения равен 25% или ¼, и совпадает с шириной импульса, которая составляет 10мс. Таким образом, период сигнала должен быть равен: 10мс (25%) + 30мс (75%) = 40мс (100%).

Гц

Прямоугольные сигналы могут использоваться для регулирования количества энергии, отдаваемой в нагрузку, такую, например, как лампа или двигатель, изменением скважности сигнала.

Чем выше коэффициент заполнения, тем больше среднее количество энергии должно быть отдано в  нагрузку, и, соответственно, меньший коэффициент заполнения, означает меньшее среднее количество энергии, отдаваемое в нагрузку.

 Отличным примером этого является использование широтно-импульсной модуляции в регуляторах скорости. Термин широтно-импульсная модуляция (ШИМ) буквально и означает «изменение ширины импульса».

Треугольные сигналы

Треугольные сигналы, как правило, это двунаправленные несинусоидальные сигналы, которые колеблются между положительным и отрицательным пиковыми значениями.

Треугольный сигнал представляет собой относительно медленно линейно растущее и падающее напряжение с постоянной частотой.

 Скорость, с которой напряжение изменяет свое направление равна для обоих половинок периода, как показано ниже.

Как правило, для треугольных сигналов, продолжительность роста сигнала, равна продолжительности его спада, давая тем самым 50% коэффициент заполнения. Задав амплитуду и частоту сигнала, мы можем определить среднее значение его амплитуды.

В случае несимметричной треугольной формы сигнала, которую мы можем получить изменением скорости роста и спада на различные величины, мы имеем еще один тип сигнала известный под названием пилообразный сигнал.

Пилообразный сигнал

Пилообразный сигнал — это еще один тип периодического сигнала. Как следует из названия, форма такого сигнала напоминает зубья пилы. Пилообразный сигнал может иметь зеркальное отражение самого себя, имея либо медленный рост, но очень крутой спад, или чрезвычайно крутой, почти вертикальный рост и медленный спад.

Пилообразный сигнал с медленным ростом является более распространенным из двух типов сигналов, являющийся, практически, идеально линейным.

Пилообразный сигнал генерируется большинством функциональных генераторов и состоит из основной частоты (f) и четных гармоник.

Это означает, с практической точки зрения, что он богат гармониками, и в случае, например, с музыкальными синтезаторами, для музыкантов дает качественный звук без искажений.

Импульсы и запускающие сигналы (триггеры)

Хотя, технически, запускающие сигналы и импульсы два отдельных типа сигналов, но отличия между ними незначительны. Запускающий сигнал — это всего лишь очень узкий импульс. Разница в том, что триггер может быть как положительной, так и отрицательной полярности, тогда как импульс только положительным.

Форма импульса, или серии импульсов, как их чаще называют, является одним из видов несинусоидальной формы сигналов, похожей на прямоугольный сигнал.

Разница в том, что импульсный сигнал определяется часто только коэффициентом заполнения.

Для запускающего сигнала положительная часть сигнала очень короткая с резкими ростом и спадом и ее длительностью, по сравнению с периодом, можно пренебречь.

Очень короткие импульсы и запускающие сигналы предназначены для управления моментами времени, в которые происходят, например, запуск таймера, счетчика, переключение логических триггеров а также для управления тиристорами, симисторами и другими силовыми полупроводниковыми приборами.

Я рассмотрел здесь только основные виды электрических сигналов. Остальные типы сигналов, обычно, получают их комбинацией или модуляцией (изменением параметров, используя другой сигнал), например: 

  • Амплитудно-модулированный сигнал
  • Частотно-модулированный сигнал
  • Фазо-модулированный сигнал
  • Фазо-частотно-модулированный сигнал
  • Фазо-кодо-манипулированный сигнал

Подробно я вернусь к ним в своих последующих публикациях.

2.2.2. Высокочастотные немодулированные сигналы

Некоторые свойства высокочастотных ситаллов

Рис. 2.5. Представление сигнала s(t) в виде суммы четного

инечетного сигналов

Высокочастотные немодулированные сигналы – это гармонические колебания (рис. 2.6), описываемые функцией s(t)Ecos(0t ), гдеE – ампли-

туда, 0 – угловая частота,

– начальная фаза, ( 0t )

– полная фаза коле-

бания. Причем 0

2 f ,f

1 T – циклическая частота,

T – период колеба-

ния.

Рис. 2.6. Гармоническое колебание

Для представления этого сигнала можно воспользоваться и другими формулами, если это удобно для последующих преобразований:

s(t)E cos(0t ),

s(t)E sin(0t ),

s(t)E sin(0t ).

При этом начальная фаза будет определяться выражением, приведенным на рис. 2.6, но при других значениях t.

График сигнала можно изображать не только как зависимость текущего значения сигнала от времени t, но и от переменной0t, т.е. от фазы. Необходимо только помнить, что в первом случае период равен интервалу времениT ,

а во втором случае – углу 2 . Начальная фаза во втором случае указывается непосредственно на графике.

Векторное представление гармонического колебания приведено на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Векторное представление гармонического колебания

Проведена окружность радиусом E с центром в начале координат. От положительного направления оси абсцисс против часовой стрелки отложен угол

. Тогда радиус-векторOE займет положениеOE1 . При изменении временирадиус-векторвращается против часовой стрелки с постоянной скоростью0. Так при изменении времени от 0 доt радиус-векторповернется на угол0t и

займет положение OE2 . Спроектировав векторOE2 на ось абсцисс, получим

ОС

cos(

t )

или

s (t) OC Ecos(

0

t ).

E

0

1

В свою очередь, если спроектировать вектор OE2

на ось ординат, получим

OD

sin( 0t )

или

s2(t)OD Esin(0t ).

E

Выражение для сигнала

s(t)Ecos(0t ) может быть представлено в

виде двух слагаемых:

s(t)Ecos(0t )Ecos cos0t Esin sin0t acos0t bsin0t,

где a Ecos ,

b E sin .

С другой стороны,

b

, arctg

.

s(t)acos0t bsin0t Ecos(0t ), гдеE

a2b2

a

Можно сделать вывод, что сумма двух сдвинутых на 2 относительно друг друга гармонических колебаний, имеющих одинаковую частоту и разные амплитуды, есть гармоническое колебание той же частоты, но с другой амплитудой и начальной фазой.

Учитывая формулы Эйлера

e j0t

cos 0t jsin0t;

e j0t

cos 0t jsin0t;

cos 0t

e j0t

e

j 0t

sin 0t

e j0t

e

j 0t

;

,

2

2 j

сигнал s(t) Ecos( 0t ) можно представить в комплексном виде s(t) E e j(0t )E e j(0t ).

22

2.2.3.Модулированные сигналы (радиосигналы)

Модулированные сигналы – это гармонические колебания высокой частоты, один или несколько параметров которых (амплитуда, частота или фаза) изменяются по какому-либозакону. Такие сигналы называют еще радиосигналами.

Математические формулы модулированных сигналов: s(t)U(t)cos(0t ) – амплитудная модуляция;

s(t)Uн cos[0t (t)] – угловая (частотная, фазовая) модуляция;s(t)U(t)cos[0t (t)] – общий вид модулированных сигналов.

Здесь U(t) – огибающая,0 2f0 – несущая частота, (t) – фазовая функция,0t (t) – полная фаза модулированного колебания. Предполагается, что за времяT 2 0 огибающаяU(t) и фазовая функция (t) изменяются незначительно.

Если огибающая U(t) имеет форму импльса, то радиосигналs(t) называется радиоимпульсом, а соответствующая ему огибающаяU(t) – видеоимпульсом.

Рассмотрена далеко не полная классификация сигналов. Но представленной информации достаточно для понимания последующих вопросов.

2.2.4. Примеры некоторых сигналов, используемых в радиотехнике

а. Прямоугольные видеоимпульс и радиоимпульс

Эти сигналы представлены на рис. 2.8 и описываются формулами

Esint

при

и

t

и

,

0

2

2

s2(t)

и

и

0

при

t

,

t

2 .

2

и

и

E

при

t

,

2

2

s1(t)

и

и

при t

t

0

,

2

;

2

а

б

Рис. 2.8. Прямоугольные видеоимпульс (а) и радиоимпульс (б)

б. Экспоненциальный импульс

Сигнал и его формула представлены на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Экспоненциальный импульс

в. Колоколообразный (гауссов) импульс

1

(t )

2

Сигнал, описываемый функцией вида s(t)

e

, представляет со-

бой колоколообразный (гауссов) импульс (рис. 2.10). Особенностью этого сиг-

нала является то, что его форма совпадает с формой спектральной характеристики.

Рассмотрим некоторые свойства этого сигнала.

1. Площадь импульса.

Произведя замену переменных:

t

x;

t x

; dt

dx и учиты-

2 dx

2 dx

вая, что e x

[10], получаем

S

e x

1.

Таким образом, площадь колоколообразного импульса равна единице.

Рис. 2.10. Колоколообразный импульс

2. Физический смысл параметра .

Это временной параметр, который характеризует длительность сигнала, связанную с некоторым его значением. Определим это значение при t 2

(см. рис. 2.10):

Таким образом, параметр – это длительность сигнала на уровне, равном приблизительно половине его максимального значения.

3. При стремлении длительности к нулю амплитуда импульса обращается в бесконечность, а площадь остается неизменной и равной единице.

г. Класс испытательных (тестовых) сигналов

Дельта-функция

Дельта-функция(-функция,функция Дирака) – это математическая модель реально не существующего сигнала, который имеет бесконечную по величине амплитуду и нулевую длительность (рис. 2.11). Сигнал, описываемыйдельта-функцией,обозначают (t) и называют просто-функция.

Сигнал называется испытательным, так как он применяется для получения импульсной характеристики радиотехнического устройства. Реакция устройства на дельта-функцию– это и есть его импульсная характеристика.

при t 0 ,

при

t t0 ,

(t)

при t 0 .

(t t0)

t t0 .

0

0 при

Рис. 2.11. Дельта-функция

Свойства дельта-функции,благодаря которым она широко используется в математике, физике и радиотехнике:

1) площадь сигнала, описываемого -функцией,равна 1, т.е. (t)dt 1;

2) селектирующее свойство: f (t) (t t0)dt f (t0).

Селектирующее свойство становится понятным, если учесть, что(t t0) 0 на всей оси времени, кроме точкиt t0. Это позволяет сделать интервал интегрирования бесконечно малым в окрестности точкиt0 . В этом интервале функцияf (t) принимает значениеf (t0), позволяющее ее вынести за знак интеграла.

Как следует из свойств колоколообразного импульса и сигнала, описываемого – функцией, справедливо следующее соотношение

t

2

1

(t) lim

e

.

0

Функция единичного скачка

Функция единичного скачка (функция Хевисайда) описывает процесс резкого (мгновенного) перехода физического устройства из одного состояния в другое. На рис. 2.12 приведен график этой функции.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.