Генераторы игольчатых импульсов и их применение

Приведено описание генераторов коротких импульсов иглообразной формы. Показана возможность применения генераторов таких импульсов для создания систем связи с использованием частотно-импульсной, а также амплитудно-импульсной модуляции.

Иглообразные импульсы относятся к дискретным видам сигналов, характеризуемых распределением отсчетов различной или постоянной высоты с переменным или постоянным шагом дискретизации. Дискретные сигналы с постоянным шагом дискретизации позволяют одновременно передавать по одному каналу связи информацию от нескольких источников с мультиплексированием сигналов во времени [1].

Для генерации коротких импульсов в большинстве случаев используют способы их получения, показанные на Рисунке 1.

Варианты схем генераторов коротких импульсов с использованием
Рисунок 1. Варианты схем генераторов коротких импульсов с использованием:
а) дифференцирующих RC-цепочек; б) газоразрядных или вакуумных
разрядников; в) полупроводниковых приборов с S-образной вольтамперной
характеристикой; г) микросхем.

Свойством формировать короткие импульсы напряжения обладает простейшая дифференцирующая RC-цепочка, Рисунок 1а. При подаче на вход RC-цепочки импульсов прямоугольной формы на ее выходе получается всплеск напряжения с последующим его экспоненциальным спадом и, после окончания импульса, такой же всплеск напряжения противоположной полярности, которые за ненадобностью гасятся при помощи диода VD1.

Для генерации импульсов подобной формы используют также газонаполненные и вакуумные разрядники, Рисунки 1б и 1в, а также полупроводниковые приборы, обладающие вольтамперной характеристикой S-образной формы, например, лавинные транзисторы и их аналоги, а также другие полупроводниковые элементы [27].

Перечисленный выше способы и устройства формирования коротких импульсов не позволяют напрямую получить на выходе сигнал строго прямоугольной формы.

Для генерации сигналов прямоугольной формы малой длительности чаще других используют устройства, выполненные на микросхемах, одно из многих вариантов которых приведено на Рисунке 1г.

Итак, генераторы игольчатых импульсов позволяют получить на выходе сигналы весьма малый протяжённости во времени.

В 1926 г. английский физик-теоретик Поль Адриан Морис Дирак (Paul Adrien Maurice Dirac, 1902–1984), ввёл в квантовой механике понятие дельта-функции, которую можно описать выражениями:

и

Отсюда следует, что дельта-функция не равна нулю только в точке t = 0, где она обращается в бесконечность со знаком плюс, а ее интеграл по любой окрестности t = 0 равен 1.

Задолго до Дирака его соотечественник физик-математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside, 1850–1925) ввёл функцию

(функцию Хевисайда) для описания переходных процессов (единичного скачка напряжения) в электрической цепи. Интересно, что дельта-функцию Дирака можно получить путем дифференцирования функции Хевисайда, Рисунок 2, что и происходит при подаче импульса прямоугольной формы на дифференцирующую RC-цепочку.

Функция Дирака (слева) и функция Хевисайда (справа).
Рисунок 2. Функция Дирака (слева) и функция Хевисайда (справа).

Из анализа свойств дельта-функции с точки зрения электроники следует, что она представляет собой некую математическую абстракцию, характеризующую электрический сигнал бесконечно узкий по длительности и бесконечного большой по амплитуде. Площадь такого сигнала определяется произведением его высоты на длительность, что для идеального дельта-импульса являет собой неопределенность вида бесконечность, умноженная на ноль. В реальных условиях короткие импульсы прямоугольной формы, получаемые при помощи электронных устройств, имеют конечную амплитуду и ширину.

На Рисунке 3 показан вариант осуществления частотно-импульсной модуляции с использованием генератора иглообразных импульсов, а также способ восстановления исходного сигнала на приемной стороне.

Структурная схема формирователя частотный модуляции импульсных сигналов иглообразной формы и их демодуляции с использованием D-триггера и фильтра нижних частот.
Рисунок 3. Структурная схема формирователя частотный модуляции импульсных сигналов иглообразной
формы и их демодуляции с использованием D-триггера и фильтра нижних частот.

Допустим, что акустический сигнал при помощи микрофона BM1 преобразуется в электрический и поступает на усилитель низкой частоты (УНЧ), нагруженный, например, на трансформатор Т1. С помощью данного трансформатора или напрямую с выхода УНЧ модулирующий сигнал поступает на генератор иглообразных импульсов, выполненный на микросхеме DD1 и транзисторе VT1 с использованием времязадающей RC-цепочки R1C1. При включении устройства конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до тех пор, пока напряжение на его обкладках не превысит напряжение переключения порогового устройства – повторителя напряжения на микросхеме DD1.1. После переключения состояния повторителя напряжения на микросхеме DD1.1 сигнал уровня «лог. 1» поступает на затвор полевого транзистора VT1, который открывается и разряжает конденсатор С1, после чего процесс повторяется неограниченное число раз.

Поскольку величина зарядного тока конденсатора С1 и, следовательно, частота генерации определяется амплитудой модулирующего сигнала, на выходе генератора формируются модулированные по частоте импульсные сигналы иглообразной формы.

На схеме, Рисунок 3, значком (×) условно обозначена проводная или беспроводная линия передачи электрических сигналов, на приемной стороне которой происходит демодуляция входных сигналов с использованием D-триггера DD2.1. На выходе триггера получаются прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией, которые, как и при использовании усилителей D-класса, несложно преобразовать при помощи фильтра нижних частот (ФНЧ) в сигнал изначальной аналоговой формы.

Очевидно, что частота генерации импульсов иглообразной формы должна, по меньшей мере, в 4 раза превышать максимальную частоту модулирующего сигнала. По теореме Котельникова – Шеннона соотношение этих частот должно быть не менее двух, но в связи с использованием демодулятора на D-триггере, который делит частоту входных импульсов пополам, необходимо использовать коэффициент 4.

На Рисунке 4 показаны диаграммы сигналов, наблюдаемых в различных точках устройства, Рисунок 3.

Диаграмма электрических процессов в различных точках устройства: а) модулирующий сигнал, например, синусоидальной формы; б) сигналы иглообразной формы на выходе генератора импульсов; в) сигналы на выходе D-триггера; г) восстановленный сигнал после ФНЧ.
Рисунок 4. Диаграмма электрических процессов в различных точках устройства:
а) модулирующий сигнал, например, синусоидальной формы;
б) сигналы иглообразной формы на выходе генератора импульсов;
в) сигналы на выходе D-триггера; г) восстановленный сигнал после ФНЧ.

На Рисунке 5 показан еще один способ формирования импульсов иглообразной формы из импульсных сигналов прямоугольной формы и последующего восстановления формы исходных сигналов на приемной стороне. Сигналы от генератора прямоугольных импульсов частотой F1 или источника сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ГПИ/ШИМ) поступают на RC дифференцирующую цепочку (ДЦ) – формирователя иглообразных импульсов.

Формирование импульсов иглообразной формы из прямоугольных импульсов модулирующего устройства и восстановление формы исходных сигналов на приемной стороне: ГПИ/ШИМ - генератор прямоугольных импульсов или широтно-импульсный модулятор; F1 - частота импульсов; ДЦ - дифференцирующая RC-цепочка; ДМ - диодный мост; × - линия передачи информации; ДЧ - делитель частоты.
Рисунок 5. Формирование импульсов иглообразной формы из прямоугольных импульсов модулирующего
устройства и восстановление формы исходных сигналов на приемной стороне: ГПИ/ШИМ –
генератор прямоугольных импульсов или широтно-импульсный модулятор; F1 – частота импульсов;
ДЦ – дифференцирующая RC-цепочка; ДМ – диодный мост; × – линия передачи информации;
ДЧ – делитель частоты.

На выходе ДЦ формируется последовательность биполярных иглообразных импульсов, которая при помощи диодного моста (ДМ) преобразуется в последовательность однополярных иглообразных импульсов частотой 2F1. Эти импульсы через линию связи (×) передаются на приемную сторону, где происходит их демодуляция – восстановление исходной формы сигналов с использованием делителя частоты (ДЧ) на основе D-триггера.

Вариант осуществления частотно-импульсной модуляции сигналов иглообразной формы и форма сигналов, наблюдаемых на выходе устройства, приведены на Рисунке 6.

Вариант осуществления частотно-импульсный модуляции сигналов иглообразной формы.
Рисунок 6. Вариант осуществления частотно-импульсный
модуляции сигналов иглообразной формы.

На Рисунке 7 показана возможность получения амплитудно-импульсно модулированных сигналов с использованием генератора сигналов иглообразной формы. В данном устройстве частота генерируемых импульсов неизменна во времени, но их амплитуда меняется в соответствии с амплитудой модулирующего сигнала. Для этого на выходе генератора используется резистивный делитель R2 и полевой транзистор VT2, управление сопротивлением исток-сток которого производится подачей модулирующего напряжения на затвор транзистора.

Амплитудный модулятор импульсов иглообразной формы.
Рисунок 7. Амплитудный модулятор импульсов иглообразной формы.

На завершающем Рисунке 8 показан еще один вариант получения сигналов с амплитудно-импульсной модуляцией. Генератор иглообразных импульсов на элементе DD1.1 и транзисторе VT1 управляет работой аналогового коммутатора DA1.1. Модулирующий низкочастотный аналоговый сигнал через конденсатор C2 поступает на базу транзистора VT2. С коллектора транзистора VT2 усиленный сигнал поступает на вход аналогового коммутатора DA1.1. На выходе коммутатора DA1.1 формируется сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией. Демодулировать такой сигнал несложно при помощи простейшей интегрирующей RC-цепочки.

Вариант амплитудного модулятора импульсов иглообразной формы с использованием аналогового коммутатора.
Рисунок 8. Вариант амплитудного модулятора импульсов иглообразной
формы с использованием аналогового коммутатора.

Таким образом, сигналы исчезающе малой длительности идеально подходят для передачи информации практически без переноса энергии.

Сигналы иглообразной формы с успехом могут быть использованы в технических устройствах для передачи информации с минимальными потерями энергии. Такой способ передачи информации позволяет максимально экономить ресурсы автономных компактных источников энергоснабжения средств связи.

В заключение отметим, что сигналы иглообразной формы не случайно отвечают сигналам, наблюдаемым в природе и, в частности, в организме человека. Такие сигналы используются для передачи импульсов возбуждения от периферийной нервной системы к головному мозгу и обратно, от головного мозга – к исполнительным механизмам тела. Неудивительно, что сигналы иглообразной формы традиционно используют в электронейростимуляторах и других приборах физиотерапевтического назначения для нормализации состояния человека [7].

  1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы (3-е изд.). – М.: Высшая школа, 2000. – 462 с.
  2. Шустов М.А., Протасевич Е.Т. Электроразрядная фотография. – Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 1999. – 244 с.
  3. Шустов М.А., Протасевич Е.Т. Теория и практика газоразрядной фотографии. – Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2001. – 252 с.
  4. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем. – М.: Altex-A, 2001. – Кн. 1. – 352 с. (I изд.); 2003 (II изд.); М.: Додэка-XXI–Altex, 2007. – 360 с. (II изд.).
  5. Шустов М.А. Генераторы высокого напряжения и их применение // Радiоаматор-Электрик. – 2003. – № 3. – С. 2–6.
  6. А.с. 1506522 СССР. МКИ H03K 3/335. Генератор импульсов / М.А. Шустов // Открытия. Изобретения. – 1989. – № 33.
  7. Шустов М.А., Шустова В.А. Физиотерапия в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. – СПб.: СпецЛит, 2018. – 168 с.

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 124
сейчас смотрят 8
представлено поставщиков 595
загружено
позиций
25 067 862