Электрический импульс

Электри́ческий и́мпульс — кратковременный всплеск электрического напряжения или силы тока в определённом, конечном временном промежутке.

Примеры форм импульсов. Вверху: справа — однополярный идеальный импульс прямоугольной формы; слева — реальный прямоугольный импульс; внизу слева: двухполярный импульс; внизу справа: радиоипульс или пакетный импульс.

Различают видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески или высокочастотное колебание с конечной длительностью, огибающая которого является видеоимпульсом. Радиоимпульс можно считать разновидностью амплитудно-модулированного сигнала.

Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от ) и двухполярные.

Характеристики импульсов

Форма импульсов

Перекрывающиеся во времени радиоимпульсы прямоугольной формы

Одной из характеристик импульсов является их форма, визуально наблюдать которую, можно, например, на экране осциллографа. В общем случае в форме импульса различают следующие составляющие: фронт — начальный подъём, относительно плоская вершина (не для всех форм) и срез (спад) — конечный спад некоторой величины (тока или напряжения).

Существует несколько стандартных форм импульсов, относительно просто описываемых математически, такие импульсы широко применяются в технике.

• Прямоугольные импульсы — наиболее распространённый тип.
• Пилообразные импульсы.
• Треугольные импульсы.
• Трапецеидальные импульсы.
• Экспоненциальные импульсы.
• Колокольные (колоколообразные) импульсы.
• Импульсы, представляющие собой полуволны или другие фрагменты (синусоиды) (обрезка по горизонтали или по вертикали).

Кроме импульсов стандартной, простой формы иногда, в особых случаях, используются импульсы специальной формы, описываемой сложной функцией, существуют также сложные импульсы, форма которых имеет в значительной степени случайный характер, например, импульсы видеосигнала.

Параметры импульсов

В общем случае импульсы характеризуются двумя основными параметрами — амплитудой (размахом — разностью напряжений между пьедесталом и вершиной импульса) и длительностью (обозначается ${\displaystyle \tau }$ или ${\displaystyle t_{\text{и}}.}$ Длительность пилообразных и треугольных импульсов определяется по основанию (от начала изменения напряжения до конца), для остальных типов импульсов длительность принято брать на уровне напряжения 50 % от амплитуды, для колоколообразных импульсов иногда используется уровень 10 %, длительность искусственно синтезированных колоколообразных импульсов (с чётко выраженным основанием) и полуволн синусоиды часто измеряется по основанию.

Выброс на вершине прямоугольного импульса

Для разных типов импульсов также вводят дополнительные параметры, уточняющие форму или характеризующие степень её неидеальности — отклонения от идеальной. Например, для описания неидеальности прямоугольных импульсов используются такие параметры, как (для идеального прямоугольного импульса они равны нулю), неравномерность вершины, а также размер выбросов после фронта и среза, возникающих в результате переходных процессов.

Спектральное представление импульсов

Кроме временного представления импульсов, наблюдаемого по осциллографу, существует спектральное представление, выраженное в виде двух функций — амплитудного и фазового спектров.

Спектр одиночного импульса является непрерывным и имеет бесконечную ширину. Амплитудный спектр прямоугольного импульса имеет выраженные минимумы при некоторых частотах, следующие с интервалом, обратным длительности импульса.

Многократные импульсы

Импульсные посылки (серии импульсов)

Некоторые импульсные последовательности и их спектры

Иногда импульсы используются или возникают не поодиночке, а группами, которые называются сериями импульсов или пачками импульсов или импульсными посылками, в том случае, когда они формируются преднамеренно для передачи куда-либо. Импульсная посылка может нести какую-либо информацию или служить идентификатором. Информационные посылки прямоугольных импульсов, в которых значимыми величинами являются количество импульсов, их временное расположение или длительности импульсов называются кодово-импульсными посылками или, в некоторых областях техники, их называют кадрами или фреймами. Кодирование информации в посылках может быть осуществлено разными способами: в двоичном коде, время-импульсном коде, код Морзе, в виде пачек заданного количества импульсов (пример — набор номера в телефонном аппарате). Во многих случаях импульсные посылки используются не поодиночке, а в виде непрерывных последовательностей посылок.

Импульсные последовательности

Импульсной последовательностью называется достаточно продолжительная последовательность импульсов, служащая для передачи непрерывно меняющейся информации, для синхронизации или для других целей, а также генерируемых непреднамеренно, например, импульсные помехи от искрения в коллекторно-щёточных узлах электрических машин.

Последовательности импульсов разделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через одинаковые интервалы времени. Длительность интервала повторения называется периодом повторения (обозначается ${\displaystyle T}$), величина, обратная периоду — частотой повторения импульсов (обозначается ${\displaystyle F}$). Для последовательностей прямоугольных импульсов дополнительно применяются ещё два связанных друг с другом параметра: скважность (обозначается ${\displaystyle Q}$) — отношение периода к длительности импульса и коэффициент заполнения — обратная скважности величина; иногда коэффициент заполнения используют и для характеристики квазипериодической и случайной последовательностей, в этом случае он равен среднему отношению суммы длительностей импульсов за достаточно большой промежуток времени к длительности этого промежутка. Спектр периодической последовательности является дискретным и бесконечным для конечной последовательности, конечным для бесконечной. Среди непериодических последовательностей с, технической точки зрения, наибольший интерес представляют квазипериодические и случайные последовательности (на практике используются псевдослучайные). Квазипериодические последовательности представляют собой последовательности импульсов, период которых или другие характеристики варьируются вокруг средних значений. В отличие от спектра периодической последовательности, спектр квазипериодической последовательности является, строго говоря, не дискретным, а гребенчатым, с малой (спектральной плотностью) между гребнями, однако, на практике этим иногда можно пренебречь, так, например, в телевизионной технике для создания полного видеосигнала к сигналу чёрно-белого изображения добавляют сигнал цветности таким образом, что гребни его спектра оказываются между гребнями чёрно-белого видеосигнала.

Импульсы как носители информации

По характеру информации импульсные сигналы могут использоваться однократно (разовое сообщение о событии) или для непрерывной передачи информации.

Последовательности импульсов могут передавать дискретизированную по времени аналоговую информацию или цифровую информацию, возможны также случаи, когда единый, в физическом смысле, импульсный сигнал несёт два вида информации, например, телевизионный сигнал и телетекст.

Для представления информации используются различные характеристики как собственно импульсов, так и их совокупностей, как по отдельности, так и в сочетаниях:

• Форма импульсов.
• Длительность импульсов.
• Амплитуда импульсов.
• Частота следования импульсов.
• Фазовые соотношения в последовательности импульсов.
• Временные интервалы между импульсами в посылке.
• Позиционное комбинирование импульсов в посылке.

Таким образом, можно выделить несколько обобщённых типов импульсных сигналов, несущих непрерывную информацию:

• Цифровой сигнал, информация в котором, как правило (но не обязательно), содержится в виде кодовых посылок.
• Аналоговый дискретизированный сигнал в виде квазипериодической последовательности.
• Аналоговый дискретизированный сигнал в виде импульсных посылок с аналоговым кодированием информации.
• Отдельно от предыдущих типов надо выделить видеосигнал (и соответствующий ему модулированный радиосигнал), в котором, в отличие от других сигналов, непрерывная информация содержится внутри самого импульса, благодаря его сложной форме.

Некоторые примеры применения импульсов

Одиночные импульсы

• Разовые команды для управления каким-либо устройством (обычно прямоугольные)
• Разовые сигналы, генерируемые устройством при наступлении какого-либо события

Периодические последовательности

• Тактовые импульсы — для синхронизации событий в системе.
• Стробирующие импульсы — для периодического разрешения / запрета процессов.
• Пилообразные импульсы развёртки (в телевизорах, мониторах, радиолокаторах, осциллографах и т. д.).
• Телевизионный синхросигнал — составляющая аналогового видеосигнала, предназначенная для синхронизации разверток передающего и приемного устройств.
• Импульсы с образцовыми параметрами (амплитуда, длительность, частота и т. д.) на выходе (калибраторов) средств измерений.
• Стимулирующие импульсные сигналы для проверки работоспособности аппаратуры или её узлов.
• Стимулирующие сигналы, вырабатываемые медицинскими приборами.

Непериодические последовательности

• Импульсные сигналы измерительной информации.
• Псевдослучайные (хаотические) импульсные последовательности для тестирования аппаратуры или каналов связи.

Одиночные посылки (серии)

• Набор номера в импульсном телефонном аппарате.
• Коды идентификации, аутентификации для электронных замков и т. д.
• Разовая информация в системах сигнализации.

Последовательности посылок

• Сигнал, представленный в цифровой форме в виде групп прямоугольных импульсов.
• Группы импульсов, непрерывно излучаемых импульсными радиомаяками.
• Посылки с время-импульсным кодированием в диалогах запросчик-ответчик в системах активной радиолокации и дальномерных каналах радионавигации.

Видеоимпульсы

• Аналоговый сигнал изображения в телевизорах, видеомагнитофонах, мониторах.
• в приёмных устройствах радиолокаторов и импульсных дефектоскопов.

Примеры возникновения электрических импульсов в природе

• Импульсы от разрядов атмосферного электричества.
• Нервные импульсы в организме.
• Импульсы электрических разрядов (электрических рыб).

Примечания

1. DIN 5483-1:1983-06 «Zeitabhängige Größen», Nr. 5.4.
2. DIN IEC 60469-1:1991-05 «Impulstechnik — Impulsbegriffe und — definitionen», Nr. 5.4.1.
3. Ицхоки Я. С. Импульсные устройства, М., 1959; Основы импульсной техники, М., 1966.
4. Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсная техника, 2 изд., М., 1968.
5. Ángela Molina, Joaquín González, Pulse Voltammetry in Physical Electrochemistry and Electroanalysis, Springer, 2015 .
6. Малинин С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / Конспект лекций предназначен для студентов специальности 210601.65 — радиоэлектронные системы и комплексы. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2013, 226 с.

Литература

• Петрович, Козырев. Генерирование и преобразование электрических импульсов — М.: Сов. радио, 1954.
• Яковлев В. Н. и др. Справочник по импульсной технике — Киев: Техника, 1970.
• Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов — 2006.

См. также

• (Сигнал (техника))
• (Видеоимпульс)
• (Меандр (радиотехника))
• (Счётчик) числа импульсов