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脉冲波的产生与脉冲技术的应用

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发表于 2015-6-28 21:08:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
什么是脉冲技术
自然界中的运动形式是多种多样的,总的说来,可以分为连续的运动和不连续的运动两种。火车和轮船的匀速行驶、机床马达的连续转动、钟摆的往复运动都是连续的运动。心脏的跳动、物体的碰撞、汽车的突然刹车等都是不连续的运动。不连续的运动往往带有突变的性质。例如我们用锤子在墙上钉钉子,力是突然作用到钉子上去的,作用的时间也很短。我们把这类持续时间很短的突然的变化过程,称为脉冲式的运动。

脉冲技术

脉冲技术

电振荡也有连续的和脉冲式的。我们比较熟悉的是连续的正弦振荡(图1)。例如我们经常使用的50赫的交流电,无线电台发射出来的无线电载波,都是连续的正弦振荡。但是,脉冲式的电压和电流,对我们也并不生疏。例如打雷就是一个强电流的脉冲放电。又如拍发电报,每按电键一次,实际上就是产生一个脉冲。可以这样说“突然作用在电路上的、并且持续时间很短的电压或电流,就称为脉冲电压或脉冲电流”。如果用图形来表示,可以画成为图2的样子。在时间为t1以前,作用在电路上的电压等于零。在t1的瞬间,作用电压突然变为Um,持续时间Ti以后,电压又重新变为零。我们把持续时间Ti称为脉冲的宽度,电压Um称为脉冲的幅度。脉冲可以是单个出现的,也可以是经过一定的时间周期性重复出现的,如图3所示。重复一次所经过的时间T称为重复周期,T1=T-Ti称为脉冲停歇的时间。脉冲的持续时间Ti很短促,通常以微秒(百万分之一秒)来计算。而脉冲重复周期T,要比Ti大几十倍,几百倍或更多。
什么是脉冲技术呢?研究上述脉冲电压或电流的产生和变换的电子技术科学,就是脉冲技术。
但是,脉冲技术还包括更广泛的内容。它不仅仅研究上面讲到的窄脉冲。而且研究一些具有突变性质的特殊波形,例如矩形波、锯齿波、阶梯波(图4)等等。所以脉冲技术也可以说是研究非正弦形波的产生和交换的一门学科。

矩形波、锯齿波、阶梯波

矩形波、锯齿波、阶梯波

脉冲技术的应用
近二十多年来,脉冲技术发展得非常迅速,它已经成为近代无线电电子学领域中的一个重要组成部分。如雷达、电视、人造卫星、宇宙飞船和地面的通信系统,自动控制和电子计算机等等,都是一个复杂的脉冲系统。其他如现代的原子核物理学、生物学、医药学等精密的科学研究工作,都需要使用由脉冲线路组成的量测仪器,所以研究脉冲技术有很重要的意义。

脉冲技术的应用

脉冲技术的应用

为什么脉冲技术的用处这样大呢?这是由于脉冲波形的突变性和多样性所决定的。突变性使我们可以获得有明显的时间界限的信号,多样性使我们可以组成多样的脉冲信号,以达到各种特殊要求。举例来说:雷达测量目标物的距离,可以利用无线电波的传播速度υ是一个常数这一特性(见图5的方框图)。从无线电发射机的天线发出一束无线电波,当无线电波遇到目标后便产生反射。在发射地点用一个接收机把反射回来的无线电波接收下来。这样,如果我们量出发出无线电波瞬间和收到无线电波瞬间的时间间隔t(电波从发射地点至目标,再从目标至发射地点的传播时间),就可以根据无线电波的传播速度来确定目标至发射地点的距离了。显然,目标至发射地点的距离l应等于:l=υt/2。
但是,如果发出的无线电波是连续不断的,那就无法分辨发出无线电波和收到反射波的时刻,因为两者都混在一起了。而且,如果反射波传播回来时发射机还在工作,则接收机根本收不到微弱的反射波,而只能收到强大的发射波,那就更谈不上测量两者的时间间隔了。如果发射出去的是一个如图6所示的脉冲波,那就很容易分辨发出无线电波和收到无线电波的时刻。而且,利用脉冲波形的突变性质,能准确地量出发射脉冲和接收脉冲的时间间隔。

发现的脉冲与反射回来的脉冲

发现的脉冲与反射回来的脉冲

我们再举一个编码多路通信的例子。大家知道,当通信距离比较远、信号比较弱时,由于杂音的干扰,利用电话通信就不易听得清楚。但是,如果利用电报通信,我们就比较容易从杂音中分辨出信号。这是因为人们说话的声音是一个连续变化的波形,容易受到杂音的干扰而失真。电报信号则是一个脉冲波,形状比较突出,不易受到杂音的影响,即使信号比较弱,杂音比较强,我们也还能够把电报信号从杂音中分辨出来。因此电报通信更为可靠一些,通信距离也可以更远一些。
人造卫星和宇宙飞船中的科学仪器所测得的物理量,一般都是连续变化的信号。要从那样远的距离把连续信号送回地球来,就很难避免杂音的干扰,因而使测量结果发生误差。但是,如果利用脉冲线路,把连续变化的信号变换为抗干扰性能比较强的脉冲电码,然后再传送回地球,这就不容易发生误差了。
在人造卫星处把连续信号变换为脉冲电码,和在地球接收点再把脉冲电码变换为连续信号,这都需要一系列复杂的脉冲线路,即所谓脉冲编码线路和解码线路。此外,如果我们进一步把人造卫星上各个仪器所测得的信号组合起来,用一个无线电信道送回地球来,组成所谓脉冲编码多路通信系统,那就更需要应用大量的复杂的脉冲线路了。
从上面所举的两个例子看来,脉冲线路总是按照一定的目的组合起来形成一个脉冲系统而工作。组成的脉冲系统往往都是比较复杂的。但是,我们分析一下每个线路单元,却又都是一些比较简单的线路,不外乎是产生窄脉冲、短形波、锯齿波等等基本波形和将这些波形加以变换的线路。脉冲技术这门学科的任务就是要研究这些波形的产生和变换。而那些复杂的组合工作已经属于雷达或多路通信等专门学科的研究范围了。

如何产生脉冲波
如何产生脉冲波?只要利用一个电源、一个电阻和一个开关所组成的电路就行了。我们研究一下图7所示的产生脉冲的电路。产生的脉冲电压u从开关两端输出。平常我们把开关K闭合,这时电源E的电压都降落在电阻R上,所以输出电压应该等于零。如果在t1的瞬间,我们把开关K断开,这时回路中的电流i等于零,在电阻R上的电压降也就等于零,所以输出端的电压就立刻变为等于电源电压E。当时间为t2时,我们再把开关闭合,则输出电压又重新变为零。这样就得到图2所示的脉冲,脉冲幅度Um应该等于电源电压E。

产生脉冲

产生脉冲

但是,如果开关用人工来控制,就不可能得到很窄的脉冲,也不可能得到准确的重复频率和固定的脉冲宽度。因此,用人工控制开关来产生脉冲是不现实的。但是用一些电子线路组成快速开关来产生脉冲,就能够保证脉冲的持续时间足够短,并且时间非常准确。组成快速开关的电子线路很多。有利用两级阻容耦合放大器所组成的正回授振荡系统,称为多谐振荡器。有利用变压器耦合放大器所组成的正回授振荡系统,称为间歇振荡器。此外,还有利用电子器件本身的负阻特性所构成的开关来产生脉冲的线路,如闸流管脉冲发生器,负互导张驰振荡器等。这些脉冲线路的工作物理过程虽然比较复杂,但最终都可以把它等效成一个开关来研究,产生脉冲的过程大致上和图7的简单线路的原理是相似的。
脉冲线路的另一个重要类型是变换脉冲的线路。最简单的变换脉冲的线路就是一个限幅器,它是利用电子管特性曲线的非线性来改善脉冲的波形。其他一些变换线路的作用是把产生的矩形脉冲交换为其他的波形,例如通过积分电路把矩形波变为锯齿波,
通过微分电路把矩形波变为尖顶波等等。这一类型线路的式样很多,我们就不一一列举了。
脉冲技术,已经成为一门比较成熟的学科,但是它最近仍在不断发展。一个脉冲系统往往需要用大量的脉冲线路,例如一个电子计算机要用到几千几万个电子管。所以如何缩小脉冲线路设备的体积,减少它的耗电量,提高它的可靠性等,是一个十分迫切需要解决的问题。近年来在脉冲线路的半导体化方面已经进行了许多工作,取得了相当的成果。另一方面,为了制造快速的计算机和进一步研究核物理的微观世界,就需产生脉冲宽度很窄的脉冲发生器以及测量这些脉冲参量的精密仪器,这样就促成了毫微秒(十亿分之一秒)脉冲技术的发展。在应用新的元件,如隧道二极管、铁氧体等来产生脉冲方面,也正在进行大量的科学研究工作。

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