🗊Презентация Импульсные сигналы и переходные процессы. Общие сведения об импульсных сигналах

Импульсные сигналы и переходные процессы. Общие сведения об импульсных сигналах. В электрических цепях наряду с непрерывными сигналами, которые описываются непрерывными функциями времени, часто применяются и импульсные сигналы. Они существуют не на всей временной оси, и их величина не произвольна. Названия импульсным сигналам дают в соответствии с их формой. Основными простейшими импульсными сигналами являются сигналы, представленные на рис. 6.1: 1 – положительный перепад амплитуды Е; 2 – отрицательный перепад амплитуды Е, задержанный на tu; 3 – одиночный прямоугольный импульс, есть сумма двух предыдущих сигналов. Кроме перечисленных сигналов в импульсной технике широко применяются сигналы, показанные на рис. 6.2: 1 – треугольный импульс, 2 – пилообразный импульс, 3 – экспоненциальный импульс.

Переходная и импульсная характеристика цепи 1. Переходной характеристикой h(t) линейной цепи называют отклик y(t)= h(t) (выходной сигнал) цепи на единичное ступенчатое воздействие x(t)=1(t) напряжения или тока, при нулевых начальных условиях (рис.1.3). Если ступенчатое воздействие имеет амплитуду Х0, то переходная характеристика находится из соотношения (1.1) Вид переходной характеристики цепи зависит от переходного процесса в цепи.

Общие сведения о переходных процессах в линейных цепях Наряду с установившимися режимами в электрических цепях наблюдаются переходные процессы. В установившемся режиме параметры токов и напряжений постоянны во времени. Переходным процессом (режимом) называется процесс изменения токов и напряжений в цепи при ее переходе от одного установившегося режима к другому. Переходные процессы в цепи возникают при её коммутации. Коммутацией принято называть мгновенное изменение схемы соединения или параметров элементов электрической цепи. Принято считать, что коммутация происходит мгновенно, в момент времени t=0, с помощью идеального ключа (рис. 4.1.1) или ступенчатого сигнала. Ключ это двухполюсник с двумя состояниями с сопротивлением: 0 –ключ замкнут и ∞ - ключ разомкнут Переходные процессы возникают в цепях, содержащих энергоемкие элементы (индуктивные и емкостные элементы), и обусловлены тем, что энергия магнитного и электрического полей не может изменяться мгновенно т.к. в этом случае создается бесконечная мощность. В резистивных цепях переходные процессы протекаю мгновенно. В основе анализа переходных процессов лежат законы коммутации.

Законы коммутации В основе анализа переходных процессов лежат законы коммутации: Первый закон коммутации: в начальный момент времени после коммутации (при t=+0), ток через индуктивность сохраняет такое же значение, как и перед коммутацией (при t= - 0 ), т.е.: Второй закон коммутации: в начальный момент времени после коммутации (при t= +0), напряжение на емкости сохраняет такое же значение, как и перед коммутацией (при t= -0), т.е.: Характер переходного процесса зависит от числа реактивных элементов, от формы токов и напряжений источников, от схемы цепи, от начальных условий и от анализируемой величины (ток или напряжение).

Начальные условия Под начальными условиями понимают значения тока или напряжения на элементах схемы непосредственно в момент коммутации. Начальные условия могут быть независимыми или зависимыми. Независимыми называют начальные условия, подчиняющиеся законам коммутации. Это напряжение на емкости uc(0) и ток индуктивности iL(0) в момент коммутации. Если в момент коммутации они (=0) равны нулю, то начальные условия называют нулевыми. В противном случае – ненулевыми. Остальные начальные условия: напряжение и ток в ветви с сопротивлением uR(0)   и    iR(0), напряжение на индуктивности uL(0) , ток в ветви с емкостью iC(0) - это зависимые начальные условия. Они не подчиняются законам коммутации и могут изменяться скачком.

Схемы замещения реактивных элементов При t=+0 индуктивный элемент эквивалентен независимому источнику тока, а емкостной элемент - источнику напряжения (рис.1.1.). При нулевых начальных условиях индуктивный элемент эквивалентен разрыву цепи (холостой ход - ХХ), а емкостной элемент - короткому замыканию (КЗ). При постоянном токе, когда t= - 0 и t=∞, т.к. ω=0, индуктивность эквивалентна КЗ, а емкость – ХХ (рис.1.2),.

6.3. Методы анализа линейных цепей при импульсном воздействии Задача анализа цепи заключается в отыскании отклика при известном входном сигнале (воздействии). При импульсном воздействии x(t) – произвольная функция времени. При произвольном входном сигнале основными методами анализа цепей являются: 1) классический метод; 2) спектральный метод; 3) операторный метод; 4) временной (метод интеграла Дюамеля). Расчет переходной характеристики есть частный случай расчета переходного процесса.

1.3. Расчет переходных процессов в линейных цепях В простых цепях расчет переходных процессов и анализ проводят классическим методом. Он обладает физической наглядностью. В сложных цепей применяют операторный метод. Класс. метод состоит в следующем 1. Составляют систему уравнений на основании законов Кирхгофа для мгновенных значений напряжения и тока для состояния цепи после коммутации. Для простых цепей эту систему уравнений можно исключением переменных свести к одному в общем случае неоднородному дифференциальному уравнению относительно какой-либо величины.                  (4.4.1) где  an, ., a0 – постоянные коэффициенты; t – время; f(t) – внешнее воздействие (ЭДС, ток); y – искомая функция (ток, напряжение, .); n – порядок уравнения (цепи) обычно равен числу реактивных элементов в схеме. В качестве искомой величины выбирают либо ток в индуктивном элементе, либо напряжение на ёмкости. 2. Записывают общее решение линейного дифференциального уравнения. Оно. состоит их двух составляющих y(t) = y1(t) + y2(t), (4.4.3) где y2(t) – это частное решение неоднородного уравнения, оно зависит от источников и полученные при этом токи и напряжения называют установившимися или принужденными. Частое решение находят в стационарном режиме в послекоммутационной цепи, когда переходной процесс закончен , т.е. когда t → ∞, т.к., y1(t) – общее решение однородного линейного дифференциального уравнения, когда f = 0. Это решение не зависит от воздействия (x) и называется свободной составляющей общего решения. Оно известно: где pi – корни характеристического уравнения, Ai – постоянные интегрирования. 3. Находят вынужденную составляющую, по схеме замещения когда t  . y2(t)= у(t→∞) 4. Корни pi находят из решения характеристического уравнения: 5. Постоянные интегрирования Ai уравнений для свободных составляющих определяют из начальных условий, используя два закона коммутации: - для индуктивности и - для емкости, по схеме замещения при t 0. 6. Проводят анализ корней и записывают общее решение.

Этапы расчета переходного процесса в цепи классическим методом Этапы расчета переходного процесса в цепи классическим методом: 1. Найти независимые начальные условия, то есть, напряжения на ёмкостях и токи на индуктивностях в момент начала переходного процесса Uc(-0) и IL(-0). 2. Составить систему уравнений на основе законов Кирхгофа, Ома, электромагнитной индукции и т.д., описывающих состояние цепи после коммутации, и методом исключением переменных получить одно дифференциальное уравнение, в общем случае неоднородное относительно искомого тока i или напряжения u. Для простых цепей получается дифференциальное уравнение первого или второго порядка, в котором в качестве искомой величины выбирают либо ток в индуктивном элементе, либо напряжение на емкостном элементе. 3. Составить общее решение полученного неоднородного дифференциального уравнения цепи в виде суммы частного решения неоднородного дифференциального уравнения и общего решения соответствующего однородного дифференциального уравнения. 4. Найти для общего решении постоянные интегрирования из начальных условий, т. е. условий в цепи в начальный момент времени после коммутации. Применительно к электрическим цепям в качестве частного решения неоднородного дифференциального уравнения выбирают установившийся режим в рассматриваемой цепи (если он существует), т. е. постоянные токи и напряжения, если в цепи действуют источники постоянных ЭДС и токов, или синусоидальные напряжения и токи при действии источников синусоидальных ЭДС и токов. Токи и напряжения установившегося режима называют установившимися. Общее решение однородного дифференциального уравнения описывает процесс в цепи без источников ЭДС и тока, который поэтому называют свободным процессом. Токи и напряжения свободного процесса называют свободными, а их выражения должны содержать постоянные интегрирования, число которых равно порядку однородного уравнения.

6.3.2. Спектральный метод анализа Спектральный метод применяется в тех случаях, когда входной сигнал может быть представлен спектром. Сигнал имеет спектр, когда он обладает конечной энергией, т.е. удовлетворяет условию: Этапы применения метода (рис. 6.3): 1) по известному сигналу находится его спектр: – прямое преобразование Фурье; 2) по известной схеме электрической цепи определяется ее частотная передаточная характеристика: ; 3) находится спектральная плотность выходного сигнала: ; 4) по известному спектру выходного сигнала находится сам выходной сигнал - обратное преобразование Фурье .

6.3.3. Операторный метод анализа Операторный метод расчета переходных процессов применим при любых входных сигналах. Метод основан на том, что функции s(t)  вещественной переменной t, которую называют оригиналом, ставится в соответствие функция F(p) комплексной переменной p = α + j, которую называют изображением. В результате этого производные и интегралы от оригиналов заменяются алгебраическими функциями от соответствующих изображений (дифференцирование заменяется умножением на оператор р, а интегрирование – делением на него), что, в свою очередь, определяет переход от системы интегро-дифференциальных уравнений к системе алгебраических уравнений относительно изображений искомых переменных. Соответствие между изображением F(p) и оригиналом s(t) в сокращенной записи обозначается: F(p) = s(t) или F(p) = L{s(t)}. Порядок расчета переходных характеристик заключается в следующем (рис. 6.4): 1) находим операторное представление входного сигнала: – прямое преобразование Лапласа; 2) находим операторную передаточную функцию цепи: ; 3) находим операторное представление отклика: ; 4) с помощью обратного преобразования Лапласа находим отклик цепи: .

6.3.4. Метод интеграла Дюамеля Метод позволяет находить отклик цепи при нулевых начальных условиях при произвольном входном сигнале и известной переходной (импульсной) характеристике цепи h(t) (рис. 6.8). Произвольный импульсный сигнал x(t) (рис. 6.9) заменим совокупностью элементарных ступенчатых сигналов с амплитудами ∆х, возникающими в моменты времени τк со сдвигом по времени на . где х'(τк) – производная от сигнала в момент времени τк, она равна тангенсу угла наклона сигнала в момент времени τк. Тогда отклик на элементарный ступенчатый сигнал . Используя принцип суперпозиции и переходя к пределу суммы при Δτ→0 (Δτ = dτ), можно записать . Последнее выражение и называется интегралом Дюамеля. Оно позволяет получить отклик на заданное воздействие в любой момент времени t после коммутации. Интегрирование ведется по τ – текущее время (0 < τ < t), причем выражения х'(τ) и h(t – τ) получают из выражений для х(t) и h(t) путем замены t на τ и t – τ.

Передача импульсных сигналов через простейшие цепи 6.4. Электрические цепи служат для связи различных устройств между собой. При этом ставится различные задачи например: неискаженная передача сигнала или преобразования сигналов одной формы в другую. 6.4.1. Передача импульсных сигналов через дифференцирующую цепь Цепь, состоящая из RC-элементов и приведенная на рис. 6.10, называется дифференцирующей RC-цепью. Установим связь между выходным u2 и входным u1 напряжениями, считая входной сигнал u1 произвольным. Используя второй закон Кирхгофа и соотношения, устанавливающие связь между напряжениями и токами на элементах схемы, запишем Считаем UC(0). Подставим полученные напряжения в первое выражение, умножим на RC и продифференцируем один раз по времени Если в этом соотношении считать, что . Последнее означает, что выходной сигнал есть производная от входного сигнала. Отсюда и название этой цепи – дифференцирующая цепь. Рассмотрим два частных случая. А. Пусть входной сигнал – ступенчатое напряжение амплитудой Е (рис. 6.11) . Используя классический метод, определим отклик цепи.u1(t)t0ECu1(t)i(t)u2(t)R Рис. 6.10 Рис. 6.11 1) Составим дифференциальное уравнение и приведем его к стандартному виду: . 2) Запишем общее решение . 3) Найдем вынужденную составляющую общего решения . Вынужденную составляющую находим в стационарном (установившемся) режиме, который имеет место, когда t  ∞. В этом случае входной сигнал – постоянное напряжение величины , ему соответствует гармонический сигнал с нулевой частотой ω = 0, так как E = E cos ωt|(ω=0). При таких условиях наличие индуктивности равносильно короткому замыканию (ХL = ωL), а емкости – разрыву цепи (ХС = (ωС)–1). Для нахождения вынужденной составляющей составим схему замещения исходной цепи при ω = 0 (рис. 6.12, а). Из схемы следует, что u2(ω=0)= 0. u2(0) = E u2() = 0 а б Рис. 6.12

4) Найдем показатель экспоненты р1. Коэффициенты р находят, как корень характеристического уравнения RCр1 + 1 = 0. Отсюда р1 = – (RC)–1. 5) Найдем произвольную постоянную A1. Произвольные постоянные находят из начальных условий для искомой функции и ее производных (при t = +0). Значения токов и напряжений в начальный момент времени после коммутации (при t = +0) определяют из схемы замещения исходной цепи, образованной после коммутации (с учетом законов коммутации) по законам Кирхгофа. При нулевых начальных условиях наличие индуктивности равносильно разрыву цепи (iL(–0) = iL(+0)), а емкости – короткому замыканию (uc(–0) = uc(+0)). Аналогичную схему замещения можно получить, если считать, что ступенчатому сигналу в начальный момент времени (t = +0) соответствует гармонический с бесконечно большой частотой (ω  ∞). Для дифференцирующей RC-цепи послекоммутационная схема (при t = +0, ω  ∞) приведена на рис. 6.12, б, а произвольную постоянную A1 находят из уравнения =A1=. 6) Запись общего решения:

Дисциплина: Электротехника и электроника Лектор: Погодин Дмитрий Вадимович Кандидат технических наук, доцент кафедры РИИТ (кафедра Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники)