Az impulzusok jellemzői
A szinuszos jelek áramköri technikája mellett nagyon fontosak a nem szinuszos jelalakokat előállító és feldolgozó impulzustechnikai áramkörök. Az impulzustechnika az elektronika egy olyan részterülete, amely két nyugalmi állapot között ugrásszerűen változó mennyiségeket generáló, átalakító és ezen mennyiségek mérésére alkalmas áramköröket és berendezéseket tárgyal.
Impulzusnak olyan áramot vagy feszültséget nevezünk, amelynek értéke két nyugalmi állapot között ugrásszerűen változik.
Az elektronikus áramkörök állapotának bármilyen megváltozása berezgési és lecsengési folyamatokkal jár együtt, amelyek hatása a jel időtartamához képest vagy elhanyagolhatóan kicsi, vagy pedig nem hanyagolható el. Emiatt a valóságban csak bizonyos pontossági határok között léteznek szabályos impulzusalakok.
Egy általános impulzusalak jellemzésére a következő paramétereket használhatjuk:
Impulzus periódusidő (
): a 0,1 ∙
amlitúdóértékhez tartozó időtartam (
=
-
)
Impulzus amplitúdó (Umax): az impulzusok kimozdulási értéke
Impulzus idő (
): a 0,5 ∙
amlitúdóértékhez tartozó idő (
=
-
)
Felfutási idő (
): azon időtartam, amíg az impulzus amplitúdója 0,1 ∙
értékről 0,9 ∙
értékre változik (
=
-
)
Lefutási idő (
): azon időtartam, amíg az impulzus amplitúdója 0,9 ∙
értékről 0,1 ∙
értékre csökken (
=
-
)
Felfutási meredekség (
): a felfutási idő alatt bekövetkezett amplitúdóváltozás
Lefutási meredekség (
): a lefutási idő alatt bekövetkezett amplitúdóváltozás
Tetőesés (
):
és
viszonya százalékban
Túllövés (
):
és
viszonya százalékban
Kitöltési tényező (k): az impulzusidő és a periódusidő hányadosa
Impulzusformáló áramkörök
Differenciáló négypólus
Az impulzusformáló áramkörökkel adott a lehetőség arra, hogy átalakítsunk egy adott impulzussorozat jelalakját. Ez a feladat megoldható passzív vagy aktív áramköri elemekből felépített négypólusok alkalmazásával.
Differenciáló négypólus
A differenciáló négypólus egy CR (kondenzátor-ellenállás) feszültségosztóként viselkedik. A tanulmányozásunkat a következő feltételekkel folytatjuk: feltesszük, hogy a kezdeti időpillanatban a kondenzátor töltetlen.
A négyszögimpulzus értéke t=0 időpillanatban 0 V-ról egy pozitív U értékre változik. A kondenzátor rövidzárként viselkedik, mivel nem tudja követni a feszültség gyors váltakozását, ezért a teljes U feszültség megjelenik az ellenálláson.
A kondenzátor a töltőáram hatásának eredményeképpen elkezd töltődni, eközben az ellenálláson csökken a feszültség. A kondenzátor töltési folyamata exponenciális görbével írható le, emiatt az ellenálláson folyó áram exponenciális változású feszültséget generál. A kondenzátor töltődésének, illetve az ellenálláson eső feszültség csökkenésének sebességét az RC szorzat értéke határozza meg. Ezt a szorzatot időállandónak nevezzük:
.
A négyszögimpulzus értéke a t1=0 időpillanatban az U értékről 0 V-ra változik. A kondenzátor kisül, de mert ez a folyamat nem olyan gyors, mint az impulzus változási sebessége, az impulzus lefutó éle megjelenik az ellenálláson. A kondenzátor exponenciális kisülési folyamatának megfelelően az ellenálláson is változik a feszültség.
Megállapíthatjuk, hogy ha az impulzust jelentősebb torzulás nélkül kívánjuk egy soros kondenzátoron átvinni, akkor R*C>>τ-t kell választani. Ha pedig R*C>τ, akkor a jelalak gyors komponensei jutnak csak át az áramkörön.
Integráló négypólus
Az integráló négypólus viselkedése négyszögimpulzus hatására a differenciáló négypólushoz hasonló.
Feltesszük, hogy a kezdeti időpillanatban a kondenzátor töltetlen. A négyszögimpulzus felfutó élének megjelenésekor a kondenzátor rövidzárként viselkedik, és kivezetésein 0 V feszültség alakul ki; az ellenálláson a feszültség maximális értéket vesz föl). A kondenzátor fokozatosan töltődik fel, és rajta megközelítőleg U nagyságú feszültség lesz mérhető. A négyszögimpulzus lefutó élének megjelenésekor az előző folyamat fordított sorrendben játszódik le. A kondenzátor töltődésének, illetve az ellenálláson eső feszültség csökkenésének sebességét az RC szorzat (az időállandó) határozza meg. A torzításmentes impulzusátvitel feltétele most is R∙C sokkal kisebb, mint τ; ha pedig R∙C kisebb τ, akkor az előzőkhöz hasonló, de most kvázi-differenciálásnak nevezhető folyamat játszódik le. Az integrálás is csak hozzávetőleges: az impulzus megszűnte után a kondenzátor az időállandó által megszabott sebességgel elveszti töltését, nem marad azon az értéken, ahová az integrálás alatt feltöltődött.
Diódás vágóáramkörök
A diódás vágóáramkörök olyan impulzusformáló négypólusok, amelyek az impulzusok amplitúdó-határolását valósítják meg.
Ezekben az áramkörökben a dióda kapcsolóelemként működik. A nyitóirányban előfeszített félvezető dióda úgy viselkedik, mint egy kis értékű ellenállás (rövidzárral helyettesíthető), a záró irányban előfeszített dióda pedig úgy viselkedik, mint egy nagy értékű ellenállás (szakadással helyettesíthető).
Ha a bemeneti feszültség eléri az U nagyobb, mint
+
(Si-dióda esetén
=0,6 V) értéket, a dióda elkezd vezetni és a bemeneti jel többi részét levágja.
Ha a bemeneti feszültség U kisebb, mint
+
érték alá csökken, akkor a dióda zárt állapotba kerül.
A diódás vágóáramkörök felhasználásával szinte tetszőleges kimeneti-bemeneti karakterisztikájú nemlineáris átvivő rendszereket készíthetünk.
A vágókapcsolások nagyon sokszor okoznak meglepetést a tervezőknek. Ez azért van, mert az áramkörhöz csatlakozó szórt kapacitások jelentősen eltorzíthatják a jelalakokat. Számos esetben jelent gondot a diódák véges kapcsolási ideje is.
Impulzuselőállító áramkörök
Az impulzuselőállító áramkörök, más szóval a billenőkapcsolások pozitívan visszacsatolt digitális áramkörök. Ezek abban különböznek a pozitívan visszacsatolt lineáris áramköröktől (oszcillátoroktól), hogy kimeneti feszültségük nem folyamatosan változik, hanem két érték (magas és alacsony feszültségszint) között ugrál. A két állapot közötti átmenet nagyon gyorsan történik.
Bistabil billenőkapcsolás
A bistabil billenőkapcsolásnak (amit bistabil multivibrátornak, vagy flip-flopnak is neveznek), két stabil állapota van. A bistabil billenőköröknél a kimenet állapota csak akkor változik, ha az átbillenési folyamatot egy bemeneti jel váltja ki.
Az áramkört feszültségre kapcsolva valamelyik tranzisztor vezetésbe kerül (tegyük fel, hogy ez a
tranzisztor), ami a pozitív visszacsatolás során lezárja a másik tranzisztort (
-t).
Ekkor a
kollektorán 0 V a feszültség, bázisán az
és a az
ellenállások által leosztott pozitív feszültség mérhető. A
dióda ilyenkor záróirányban van előfeszítve. A lezárt
tranzisztor kollektorán közel tápfeszültség, bázisán a –
segédfeszültség jön létre. A negatív segédfeszültség a tranzisztorok stabil lezárását teszi lehetővé. A
dióda anódja és katódja megközelítőleg azonos potenciálon van.
A bemeneti négyszögjel differenciált lefutó éle a
bázisára jut, aminek következtében a
tranzisztor lezár és kollektorpotenciálja megközelítőleg tápfeszültségre kerül. Ez az
és
feszültségosztón a
bázisára jut és megnyitja. Az átbillenés megtörténik, és ez az állapot addig marad fenn, amíg a következő negatív impulzus a
tranzisztort ki nem nyitja. Ezen tulajdonsága miatt a bistabil billenőkapcsolást bináris információtárolóként is használhatjuk.
Monostabil billenőfokozat
A monostabil billenőkörnek egyetlen stabil állapota létezik, vagyis bemeneti vezérlőimpulzus nélkül a kimeneti feszültség egy rögzített értéken marad. Ha egy külső vezérlőjellel a másik állapotába billentjük, akkor ezen állapotát csak meghatározott ideig tartja meg, majd ezután visszabillen stabil állapotba.
A monostabil billenőfokozat működése az ábrák alapján követhető.
Az áramkör stabil állapotában a
tranzisztor vezet, a
zárva van. Mivel a
kollektora közel tápfeszültségen van, bázisa közel földpotenciálon található, a C kondenzátor ennek megfelelő polaritású feszültséggel töltődik fel.
A bemenetre adott négyszögimpulzust a
kondenzátor differenciálja, a D dióda pedig a jelnek csak a negatív félperiódusát ereszti át. A negatív vezérlőimpulzus a
tranzisztor bázisára jutva lezárja, kollektorpotenciálja közel tápfeszültségre kerül, ami a
tranzisztort vezető állapotba hozza. A
nyitásával a C kondenzátor az R ellenálláson keresztül elkezd kisülni, majd ellentétes polaritással elkezd föltöltődni. Ha a kondenzátor feszültsége a töltődés során eléri a
nyitásához szükséges szintet, a
kinyit és lezárja a
tranzisztort. Ekkor az áramkör ismét bistabil állapotba kerül.
A tranzisztor bázisára jutó impulzus időtartamát a C és R elemek értéke együtt határozza meg:
A kimenet akkor is visszabillen a kiszámított kapcsolási idő letelte után, ha a bemeneti impulzus hosszabb, mint
. Ekkor a
tranzisztor a bemeneti impulzus megszűnéséig nyitva marad, és a pozitív visszacsatolás hatástalan. A kapcsolási folyamat végén kell a C kondenzátort az R ellenálláson keresztül föltölteni. Ha a kondenzátor a következő impulzusig nem töltődik fel teljesen, akkor a következő bekapcsolási idő megrövidül. Ahhoz, hogy e jelenség 1%-nál kisebb hibát okozzon,
-et minimum
feléledési időre zárva kell tartani.
Astabil billenőfokozat
Az astabil billenőkapcsolás egyetlen stabil állapottal sem rendelkezik. Az astabil multivibrátor négyszögfeszültséget állít elő. Azért nevezzük multivibrátornak, mert a négyszögfeszültségnek igen sok felharmonikusa van.
A pozitív visszacsatolás mindkét, az ábrán látható tranzisztornál kapacitív jellegű.
Az áramkör a következőképpen működik: feltesszük, hogy a
jelű tranzisztor vezet, a
zárva van. A
kondenzátor az
ellenálláson át töltődik. Mihelyt a kondenzátor feszültsége eléri a
tranzisztor nyitófeszültségét, a
kinyit, és lezárja a
tranzisztort. Azaz az áramkör átvált a másik állapotba.
A
tranzisztor addig vezet, amíg a
kondenzátor az
ellenálláson keresztül nem töltődik fel annyira, hogy a
tranzisztort kinyissa. Ha a
tranzisztor kinyit, a pozitív csatolás miatt lezárja a
-t, és az áramkör újra átbillen.
A kapcsolás tehát folyamatosan a két állapot között billeg. Az időtartamok az időzítő elemek értékétől függenek:
Schmitt-trigger
A Schmitt-trigger egy olyan bistabil billenőkör, amelynek kimeneti jele a bemeneti jel amplitúdójának a nagyságától függ. Ez az áramkör valójában egy küszöbérték kapcsoló.
Az áramkör működése: alapállapotban a
tranzisztor zárva található, a
nyitófeszültséget kap, így a kollektorán közel földpotenciált lehet mérni. Ha a bemeneti feszültség elér egy adott pozitív U1 értéket, a
kollektorárama lezárja a
tranzisztort, aminek kollektorpotenciálja megközelítőleg a tápfeszültséggel lesz egyenlő.
A bemeneti feszültséget az elért pozitív értékről folyamatosan redukálva, egy
feszültségértéknél (
kisebb, mint
) a
tranzisztor lezár és
kinyit.
Megfigyelhetjük, hogy a billenések nem ugyanazon a feszültségszinten következnek be. E jelenséget az áramkör hiszterézisének nevezzük. A triggerkapcsolás hiszterézisén azt a feszültségkülönbséget értjük, amely az
bekapcsolási és az U2 kikapcsolási küszöbérték között fennáll:
=
-
A felhasználástól függ az, hogy a hiszterézis kívánt, avagy nem kívánt. A gyakorlatban az
feszültségkülönbséget előre beállítják.
A Schmitt-trigger nagyon jelentős, gyakran alkalmazott áramkör, többek között különböző amplitúdójú jelek amplitúdó uniformizálására használható.
Az impulzus amplitúdó (
) az impulzusok kimozdulási értéke.
Az impulzus periódusidő (
) a 0,1∙
amplitudóértékhez tartozó időtartam
.
Az impulzus idő (
) a 0,5∙
amplitudóértékhez tartozó idő
.
A felfutási idő (
) azon időtartam, amíg az impulzus amplitúdója 0,1∙
értékről 0,9∙
értékre változik
.
A lelfutási idő (
) azon időtartam, amíg az impulzus amplitúdója 0,9∙
értékről 0,1∙
értékre csökken
.
Felfutási meredekség (
): a felfutási idő alatt bekövetkezett amplitúdóváltozás
Lefutási meredekség (
): a lefutási idő alatt bekövetkezett amplitúdóváltozás
Tetőesés (
):
és
viszonya százalékban
Túllövés (
):
és
viszonya százalékban
Kitöltési tényező (k): az impulzusidő és a periódusidő hányadosa
Az integráló négypólus viselkedése négyszögimpulzus hatására a differenciáló négypólushoz hasonló.
A négyszögimpulzus lefutó élének megjelenésekor az előző folyamat fordított sorrendben játszódik le.
A differenciáló négypólus egy CR (kondenzátor-ellenállás) feszültségosztóként viselkedik.
A kezdeti időpillanatban a kondenzátor töltetlen.
A négyszögimpulzus értéke t=0 időpillanatban 0V-ról egy pozitív U értékre változik.
A diódás vágóáramkörök olyan impulzusformáló négypólusok, amelyek az impulzusok amplitúdó-határolását valósítják meg.
Az impulzuselőállító áramkörök, más szóval a billenőkapcsolások pozitívan visszacsatolt digitális áramkörök. Ezek abban különböznek a pozitívan visszacsatolt lineáris áramköröktől (oszcillátoroktól), hogy kimeneti feszültségük nem folyamatosan változik, hanem két érték (magas és alacsony feszültségszint) között ugrál. A két állapot közötti átmenet nagyon gyorsan történik.
A bistabil billenőkapcsolásnak (amit bistabil multivibrátornak, vagy flip-flopnak is neveznek), két stabil állapota van. A bistabil billenőköröknél a kimenet állapota csak akkor változik, ha az átbillenési folyamatot egy bemeneti jel váltja ki.
A monostabil billenőkörnek egyetlen stabil állapota létezik, vagyis bemeneti vezérlőimpulzus nélkül a kimeneti feszültség egy rögzített értéken marad.
Az astabil billenőkapcsolás egyetlen stabil állapottal sem rendelkezik. Az astabil multivibrátor négyszögfeszültséget állít elő.
A Schmitt-trigger egy olyan bistabil billenőkör, amelynek kimeneti jele a bemeneti jel amplitúdójának a nagyságától függ. Ez az áramkör valójában egy küszöbérték kapcsoló.