Связь между длительностью импульса и шириной его спектра

Источниками колебаний в форме импульсов чаще всего являются импульсные генераторы — автономные преобразователи энергии источника питания, в энергию разрывных колебаний требуемой формы. Другим способом получения импульсов является их формирование путем изменения параметров колебаний иной формы, например синусоидальной.

Для этого используют формирующие устройства — ограничители амплитуды, схемы дифференцирования и другие устройства, которые изменяют параметры колебания — амплитуду, период следования, форму и т.п.

Электрическим импульсом называют напряжение или ток, отличающиеся от нуля или постоянного значения только в течение короткого промежутка времени, который меньше или сравним с длительностью установления процессов в электрической системе, в которой они действуют. Импульсы могут быть как периодическими, так и одиночными (рис. 1)

Рис. 1. Импульсы различной формы

В случае следующих друг за другом импульсов (т.е. периодических) обычно предполагается, что интервал между ними существенно превышает длительность процессов установления. В противном случае этот сигнал называют несинусоидальным напряжением или током. Такое определение не отличается строгостью, ибо переходные процессы протекают, как известно, бесконечно долго. Однако оно позволяет отличать импульсы в общепринятом смысле от напряжения сложной формы.

Параметры электрического импульса

Импульсы и импульсные последовательности характеризуются рядом параметров (длительность импульса, длительность паузы, время фронта, период следования и др). Методика измерения этих параметров представлена на рис 2.

Рис. 2. Основные параметры импульсов

Um – амплитуда импульса. Это наибольшее отклонение напряжения от исходного, установившегося значения Uo;

tфр – длительность фронта импульса (или время фронта). Это временной интервал, в течение которого напряжение возрастает от 0,1Um до 0,9Um. Иными словами, время фронта измеряется не по максимальному и минимальному значению напряжений, а по уровням 0.1-0.9 от максимального значения.

tcп – длительность спада импульса (или время спада). Это временной интервал, в течение которого напряжение спадает от 0,9Um до 0,1Um. Его иногда еще называют временем среза импульса.

tи – длительность импульса. Это временной интервал между моментами на соседних интервалах tфр и tcп, для которых u = 0,5Um. Иными словами, длительность импульса измеряется на уровне половины амплитуды.

tп – длительность паузы. Она измеряется по уровню 0.5 аналогично длительности импульса. При этом соблюдается соотношение tп = T- tи.

Т – период следования импульсов. Это временной интервал между моментами на соседних интервалах tфр или tcп, для которых u = 0,5Um. Иными словами, период измеряется по уровню половины амплитуды между двумя соседними фронтами или спадами.

f – частота следования импульсов. Это величина, обратная периоду f =1 / T.

Q — скважность импульсов. Это величина, равная отношению периода к длительности импульсов: Q = Т/tи

Kз – коэффициент заполнения импульсов. Это величина, равная отношению длительности импульса к периоду: Kз = tи/T. Коэффициент заполнения и скважность импульсов – взаимообратные величины.

Дата добавления: 2016-02-27 ; ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Проектирование прибора измеряющего длительность импульса

В настоящее время микропроцессорная техника делает большие успехи в применении, в различных отраслях производства. Сейчас микропроцессоры стали применяться не только в бытовой технике и в автомобилях, но и даже в производстве управляя сложнейшими технологическими процессами.

Цель курсового проекта послужила создание измерительного прибора на базе микропроцессора AVR90S8515

Микропроцессоры американской фирмы ATMEL, в последние годы делают значительные успехи в освоении новых областей в сфере своего применения. Микропроцессорное ядро, используемое в микроконтроллерах AVR, похоже на большинство процессоров с RISC архитектурой, пожалуй, за исключением 8-разрядных регистров. Разработано двумя разработчиками из Норвегии, в городе Trondheim. Позже, в 1995 году, разработка была приобретена фирмой Atmel. До сих пор развитие ядра происходит в Норвегии, в то время как периферия и память разрабатываются в отделении Atmel в Калифорнии.

С помощью проектируемого прибора можно будет измерять длину импульсов в диапазоне от 10 мСек до 10 Сек измеренная величена будет отображаться на четырех разрядном светодиодном индикаторе

Необходимо спроектировать прибор для измерения длительности импульса.

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.

Накамерные вспышки

Устанавливаются в «горячий башмак» фотокамеры. Могут иметь разную мощность, но самые мощные, как правило, не превышают 80 Дж. Очень гибкие в работе, работают автономно от камеры.

Обзоры накамерных вспышек

Обзор и тест вспышки Godox Witstro AD360II-C Обзор и тест вспышки Profoto A1 Обзор вспышек Falcon Eyes X-Flash

Моноблоки

Моноблок — это вспышка со встроенным адаптером питания. Как правило, работает от сети, хотя сейчас появились моноблоки с аккумулятором и моноблоки с работой и от сети и от аккумулятора.

Моноблоки значительно крупнее, чем накамерные вспышки, но позволяют использовать все студийные модификаторы света, что очень важно. Ведь «голой» вспышкой много не сделаешь. Также моноблоки бывают гораздо бОльшей мощности, чем накамерные вспышки (вплоть до 1500 Дж). Работа моноблока от дизельного генератора не рекомендуется — можно сжечь моноблок.

Обзоры моноблоков

Обзор и тест моноблока Profoto D2 Air TTL Обзор и тест аккумуляторной вспышки Profoto B10 Обзор и тест аккумуляторной вспышки Profoto B1 Обзор аккумуляторного моноблока Broncolor Siros L 800 Обзор моноблока Bowens XMS 500 BW5300

Импульсные генераторы

Импульсный генератор представляет из себя по сути миникомпьютер (т.к. есть процессор, память, экран и проч.), блок питания, конденсаторы и сложные платы контроля импульса разряда. Проще говоря — это «венец творения» импульсных источников света.

Генераторы бывают студийные т.е. питающиеся от розетки и аккумуляторные, питающиеся от аккумулятора.

На фото — аккумуляторный генератор Profoto B2

На фото — студийный генератор Profoto Profoto Pro-8a Air

Студийные генераторы обычно мощнее т.к. там нет задачи экономить заряд. Некоторые студийные генераторы могут питаться от дизельного генератора и таким образом становится мобильными. Мощность студийного генератора может достигать 6400 Дж, но чаще всего используются студийные генераторы 1600 дж, 2400 Дж и 3200 Дж (а аккумуляторные как правило от 250 Дж до 1200 Дж).

Огибающие переходной амплитуды

Амплитуда установившегося состояния остается постоянной в течение времени, поэтому представлена ​​скаляром. В противном случае амплитуда нестационарна и должна быть представлена ​​либо как непрерывная функция, либо как дискретный вектор. Что касается аудио, переходные амплитудные огибающие лучше моделируют сигналы, потому что многие обычные звуки имеют переходную атаку громкости, затухание, сустейн и затухание.

Другим параметрам могут быть присвоены огибающие амплитуды устойчивого состояния или переходного процесса: высокочастотная / низкочастотная / амплитудная модуляция, гауссов шум, обертоны и т. Д. [8]

Нормализация амплитуды

С формами волны, содержащими много обертонов, сложные переходные тембры могут быть получены путем присвоения каждому обертону его собственной отдельной огибающей переходной амплитуды. К сожалению, это также влияет на модуляцию громкости звука. Более разумно разделить громкость и качество гармоник, чтобы параметры регулировались независимо друг от друга.

Для этого огибающие амплитуды гармоник покадрово нормализуются, чтобы получить амплитуду. пропорция

огибающие, где на каждом временном интервале все амплитуды гармоник будут складываться до 100% (или 1). Таким образом, можно чисто управлять основной огибающей, регулирующей громкость. [8]

В распознавании звука нормализацию максимальной амплитуды можно использовать для выравнивания основных гармонических характеристик двух одинаковых звуков, позволяя распознавать похожие тембры независимо от громкости. [9][10]

Формальное представительство

В этом простом волновое уравнение

Икс = А грех ⁡ ( ω [ т − K ] ) + б , {displaystyle x = Asin (omega [t-K]) + b,}

• А {displaystyle A} — амплитуда (или пиковая амплитуда),
• Икс {displaystyle x} осциллирующая переменная,
• ω {displaystyle omega} является угловая частота,
• т {displaystyle t} время,
• K {displaystyle K} и б {displaystyle b} — произвольные константы, представляющие смещения времени и смещения соответственно.

Единицы

Единицы измерения амплитуды зависят от типа волны, но всегда в тех же единицах, что и колебательная переменная. Более общее представление волнового уравнения более сложное, но роль амплитуды остается аналогичной этому простому случаю.

Для волн на нить, или в таком средстве, как воды, амплитуда смещение.

Амплитуда звуковых волн и звуковых сигналов (которая относится к громкости) условно относится к амплитуде давление воздуха в волне, но иногда амплитуда смещение (движения воздуха или диафрагмы оратор) описывается. В логарифм квадрата амплитуды обычно указывается в , поэтому нулевая амплитуда соответствует — дБ. Громкость связана с амплитудой и интенсивность и является одним из наиболее заметных качеств звука, хотя в общих звуках его можно распознать независимо от амплитуды. Квадрат амплитуды пропорционален интенсивности волны.

За электромагнитное излучение, амплитуда фотон соответствует изменениям в электрическое поле волны. Однако радиосигналы могут переноситься электромагнитным излучением; интенсивность излучения (амплитудная модуляция) или частота излучения (модуляция частоты) колеблется, а затем отдельные колебания изменяются (модулируются) для получения сигнала.