Все об скважности сигнала

Множество приборов работает с импульсными сигналами. Создаются они с помощью специальных схем-генераторов. Наиболее важная их характеристика – скважность.

Чем отличается скважность и коэффициент заполнения импульсов

Одной из наиболее важных величин в импульсной электронике – это скважность, обозначаемая латинской буквой S. Она дает характеристику импульсам прямоугольной формы и показывает, как относится их период T ко времени t1. К примеру, коэффициент меандра равен 2, поскольку время t1 в этой последовательности составляет половину периода: S = T / t1 = 2.
И в числителе, и в знаменателе находится время, выраженное в секундах. При вычислениях они сокращаются, поэтому коэффициент является величиной, не имеющей единиц измерения.

Генератор скважности

Меандр представляет собой поток импульсов, в котором отрицательные и положительные части имеют одинаковую продолжительность.
Инверсия скважности имеет название коэффициент заполнения. Следовательно, скважность способна принимать множество значений от бесконечности до единицы, а рабочий цикл этого же потока импульсов, как еще могут называть коэффициент заполнения, способен принимать значения от 0 до 1. Часто удобней записывать не данный коэффициент, измерение которого производится десятичными дробями, а скважность, которая равна, чаще всего, целому числу.
Например: D = 0,5 или S = ​​2 – эти две записи означают одно и то же, но вторую читать легче. Рабочий цикл S = 10 соответствует показателю D = 0,1 – это означает, что длительность импульса в 10 раз меньше его периода.
В широтно-импульсной модуляции (сокращенно, ШИМ) прибор изменяет ширину или продолжительность импульса, при этом будет соответственно изменяться и коэффициент. Частота при этом будет постоянной. В таком случае, чем больше величина, показывающая скважность, тем более узким будет импульс, и, наоборот – при минимальной скважности будет достигаться максимальная ширина.
При изучении данного явления просматривается этимологическая связь с словом «скважина» из русского языка: широкая скважина (на самом деле, это промежуток между импульсами в потоке) – положительные части узкие, узкая скважина – положительные части широкие (но свободное пространство между ними мало).

Важно: У англоязычных авторов термин «скважность» не встречается вовсе, а для его замены применяют понятие «рабочий цикл» – аналогичный российскому коэффициенту заполнения (D). Однако в английской литературе он выражается не дробным числом, а процентом. Например, если D = 0,5 в западных пособиях будет указано: D = 50%.

Характеристики скважности

Коэффициент заполнения и показатель скважности зависят от уровня получаемого колебания, при этом его частота определяется параметрами генератора. Для вычисления скважности имеют наибольшее значение два основных критерия:

Принцип действия

Для формирования прямоугольного колебания в устройствах-модуляторах имеется специальная микросхема-контроллер либо аналоговая микросхема. Подключение происходит посредством цепи на полупроводнике. Полупроводник имеет только два состояния:

Важно! Работа всей цепи зависит от характера колебаний. Следовательно, если лампа подключена через полупроводниковый прибор, она начнёт мерцать с заданной частотой.

Однако, когда частота превышает 50 Гц, из-за особенностей глаз человека, мигание сливается в единое свечение. Но таким образом можно регулировать и яркость свечения. Снижение коэффициента повлечет за собой уменьшение яркости света, выдаваемой лампой.

Подобную схему можно использовать для постоянных двигателей. Уменьшение частоты провоцирует снижение скорости вращения двигателя, а высокие – к большей мощности агрегата.

В аналогичных устройствах применяется полупроводниковый переключатель, который имеет высокую скорость срабатывания и низкую проводимость, поскольку в противном случае устройство может запаздывать.

Как обозначается

Скважность обозначается английской буквой S, величина, обратная ей – коэффициент заполнения – буквой D. Данные обозначения используются и в русской, и в англоязычной литературе.

Формы сигналов

Сигналы различаются по форме и характеристикам:

Важно! Период и частота математически зависят друг от друга. По мере того, как период уменьшается, частота увеличивается, и наоборот.

Важно! Сигнал может принимать и положительные, и отрицательные значения, подвергаясь изменениям. В показанном потоке время положительного импульса больше, чем длительность отрицательного импульса, хотя бывает и наоборот.

Как измерить скважность с помощью формулы

Скважность прямоугольных импульсов S – это отношение периода T ко времени импульса, обозначаемого буквой t1. Также, стоит отметить, что рабочий цикл D – это значение обратное скважности:

Скважность формула

Скважность сигнала – одна из самых важных характеристик в импульсной технике. Ее основные характеристики – это период и время численного значения импульса. Изменяя эти характеристики, можно повлиять на всю цепь.

Источник

Что такое скважность

Одной из важнейших величин в импульсной технике является скважность S. Скважность S характеризует прямоугольный импульс, и определяет то, во сколько раз период импульса T больше его длительности t1. Так, меандр, например, имеет скважность равную 2, поскольку длительность импульса в такой последовательности равна половине его периода: S=T/t1=2.

Как видим, и в числителе, и в знаменателе стоят продолжительности, измеряемые в секундах, поэтому скважность — величина безразмерная. Для справки напомним, что меандр — это такая импульсная последовательность, где длительность положительной части импульса t1 равна длительности его исходного состояния t0.

Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения D. Таким образом, теоретически скважность может изменяться от бесконечности до 1, тогда как соответствующий ей коэффициент заполнения может принимать значения от 0 до 1. Записывать величину скважности часто более удобно, чем коэффициент заполнения в виде дроби.

Например: D=0.5 – коэффициент заполнения меандра, или скважность S=2 – более удобочитаемая запись того же самого. Скважность S=10 соответствует коэффициенту заполнения D=0.1 — имеется ввиду, что продолжительность импульса в 10 раз меньше его периода (суммы его положительной и исходной частей).

Когда заходит речь о широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то говорят, что при в драйвере происходит изменение ширины или длительности импульса, практически имеется ввиду изменение скважности при постоянной частоте. В этом контексте чем больше скважность — тем уже импульс, чем меньше скважность — тем шире импульс.

Давайте рассмотрим простой практический пример. Лампочка включается на одну секунду через каждые 59 секунд, затем на 59 секунд гаснет, и так все время повторяется в течение неопределенного времени.

Что это значит? Длительность импульса t1 = 1 секунда, период импульса T = 59+1 = 60 секунд. Следовательно с какой скважностью включается лампочка?

Со скважностью S = 60/1. Скважность 60. Значит коэффициент заполнения равен 1/60, то есть D = 0,01666 или duty cycle 1,66%. В данном примере отчетливо видно, что запись в терминах скважности S = 60 более удобочитаема и точна, чем запись в форме коэффициента заполнения D = 0,01666 или duty cycle 1,666%.

Наконец, еще одно полезное применение скважности. Счетчики-дешифраторы импульсов (типа К561ИЕ8) способны делить импульсную последовательность на отдельные импульсы, здесь снова значение скважности подходит лучше, оно может быть определено через разрядность счетчика и сосчитано (пропорционально количеству импульсов, подсчитанных счетчиком).

Таким образом, даже для цифровой техники оперирование напрямую скважностью импульсов часто оказывается более удобным, чем свойственным принятому в англоязычной литературе коэффициентом заполнения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Скважность

Сква́жность (в физике, электронике) — один из классификационных признаков импульсных систем, определяющий отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса. Величина, обратная скважности и часто используемая в англоязычной литературе, называется коэффициентом заполнения (англ. Duty cycle ).

Таким образом, для импульсного сигнала справедливы следующие соотношения:

,

где S — скважность, D — коэффициент заполнения, T — период импульсов, — длительность импульса.

Скважность определяет отношение пиковой мощности импульсной установки (например, передатчика радиолокационной станции) к её средней мощности и таким образом является важным показателем работы импульсных систем. В устройствах и системах дискретной передачи и обработки информации недостаточно высокая скважность может приводить к искажению информации.

Частое применение в практике находит сигнал со скважностью, равной двум — меандр.

Полезное

Смотреть что такое «Скважность» в других словарях:

СКВАЖНОСТЬ — отношение периода следования (повторения) электрических импульсов к их длительности. Скважность определяет соотношение между пиковой и средней мощностью импульсов напряжения или тока, что необходимо учитывать при выборе режима эксплуатации… … Большой Энциклопедический словарь

скважность — пористость, скважистость Словарь русских синонимов. скважность сущ., кол во синонимов: 3 • пористость (12) • … Словарь синонимов

Скважность — (a. porosity; н. Porositat, Durchlassigkeit; ф. porosite; и. porosidad) совокупность пор, трещин, каналов и др. пустот в горн. массиве независимо от их форм и размеров. Pазличают Пористость г. п., Трещиноватость г. п. и т.п. Горная… … Геологическая энциклопедия

СКВАЖНОСТЬ — СКВАЖНОСТЬ, скважности, мн. нет, жен. (физ., геол.). Наличие скважин, отверстий, пор, делающее вещество проницаемым для жидкостей и газов. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

скважность — СКВАЖИСТЫЙ, ая, ое; ист и (спец.) СКВАЖНЫЙ, ая, ое. Имеющий скважины (в 3 знач.). Скважистая порода. Скважистый грунт. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

СКВАЖНОСТЬ — (см. ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

скважность — Отношение времени смены кадров ко времени экспонирования одного кадра. Обозначение M [ГОСТ 24449 80] Тематики регистрация фотографическая высокоскоростная … Справочник технического переводчика

СКВАЖНОСТЬ — отношение периода следования электрических импульсов к их длительности … Большая политехническая энциклопедия

скважность — 3.15 скважность: отношение периода импульсов к длительности импульса. Источник: ГОСТ Р 54073 2010: Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

скважность — отношение периода следования (повторения) электрических импульсов к их длительности. Скважность определяет соотношение между пиковой и средней мощностью импульсов напряжения или тока, что необходимо учитывать при выборе режима эксплуатации… … Энциклопедический словарь

Источник

Скважность импульсов

Общеизвестно, что регулировать количество оборотов электродвигателя можно периодическим включением и отключением его от энергосети, кроме того при изменении времени включения и отключения можно задавать дополнительные параметры скорости. Это явление характерно не только для электродвигателя – его действие можно заметить во всех потребителях тока, способных запасать энергию, иначе говоря, инерционных системах.

Принцип широтно-импульсной модуляции основан именно на этом эффекте, он нашёл себе достаточно широкое применение при управлении электротехническими устройствами и источниками освещения, где требуется циклическая подача энергии. В английском языке этот принцип получил название – Pulse-Width Modulation.

Что такое ШИМ

Что такое электрический импульс? Это резкий конечный всплеск напряжения в системе. Поскольку он конечен, то он имеет начало, обычно называемое фронтом, ширину и спад, его окончание, период.

Такие всплески можно охарактеризовать следующими параметрами:

Таким образом, скважность импульса – это соотношение:

Благодаря этому, широтно-импульсная модуляция позволяет управляемо изменять напряжение в системе от нулевого значения до максимальной амплитуды сигнала, это используется для установки оптимальных режимов работы инерциальных систем.

Применение

Для формирования прямоугольных колебаний применяется микросхема аналогового типа или чип-контроллер. Сами колебания управляют только нагрузкой, идущей от источника тока. Подключение производится через ключевую схему на полупроводнике. Ключ имеет всего два состояния: либо он включён в сеть, либо размыкает её.

Грубо говоря, все зависит от характеристик колебаний. Так, если светильник подключен через подобную схему, то при низкой частоте работы устройства лампа будет мигать с определенной периодичностью, но при превышении её сверх 50Гц в человеческих глазах отдельные всплески света сольются в одно ровное свечение. Это особенность человеческого глаза, который не улавливает колебания свыше этого значения. Но и яркость свечения можно регулировать. Чем ниже коэффициент заполнения, а, следовательно, и значение, обратное ему, тем меньше яркость свечения источника.

Аналогичный пример можно использовать и с двигателем постоянного тока, под управлением широтно-импульсного регулятора. При этом низкая частота приведёт к снижению оборотов двигателя, в то время как высокая – к его эффективной работе. Для её достижения используются ключи-полупроводники, обладающие значительным быстродействием и низким коэффициентом проводимости, так как в противном случае возможно запаздывание сигнала.

При необходимости сигналы схемы импульсного регулятора можно усреднять, для этого используются фильтры низких частот, но при подключении двигателя с большой механической инерцией и хорошим значением индуктивности. В этом случае снижение амплитуды и частоты происходит самопроизвольно.

Скважность, а также её обратное значение зависят от уровня моделирующего сигнала, частота таких устройств определяется частотой дублирующего генератора, подающего дополнительный сигнал.

Генератор для получения скважности

Видео

Источник

Анатомия широты. 2 часть

ЧАСТЬ ВТОРАЯ: Нитка с иголкой в ткани энергии.

Что такое ПС и как её получить? Давайте изучим!

Как было сказано в прошлой части, с помощью ключей, энергию можно нарезать порциями в виде прямоугольных импульсов, обладающих новыми качествами и характеристиками, которые можно, а самое главное, нужно понимать для эффективного применения их свойств, целью которых является получение постоянной составляющей (ПС) из ШИМ Сигнала.

Рассмотрим несимметричный периодический прямоугольный сигнал относительно горизонтальной оси:

Отношение ширины импульса tw к его периоду T называют коэффициентом заполнения D (от англ. Duty cycle), а величина, обратная ему называется скважностью S:

На практике для Сигнала одной и той же частоты удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах умножая D на 100.

Т.к. Сигнал прямоугольный и несимметричный, то D напрямую влияет на его ПС, и поэтому находится в жесткой линейной зависимости от D и амплитуды (Am):

Как раз именно это важное полезное свойство применяется на практике и позволяет использовать ключевой режим работы РЭ при применении ШИМ для нашей главной! цели: получение ПС из прямоугольного Сигнала.

Изучим как работает ШИМ, для чего создадим схему “PWM Generator work”:

U1 представляет из себя программируемый генератор ШИМ Сигнала (название в библиотеке: PWM Generator), выходной сигнал которого, представляет из себя прямоугольные импульсы следующие с заданной частотой, при этом ширина импульсов линейно зависит от входного напряжения V1 (цепь Vin), которая и определяет значение D.

Настраиваемые параметры ШИМ генератора следующие:

Диапазон входного (программируемого) напряжения Vin должен находиться в диапазоне от MODLOW (соответствует 0%) до MODHIGH (соответствует 100%);

Частота выходных импульсов MODFREQ ;

Амплитуда импульсов на выходе Vout. Минимальное значение: PWMLOW, Максимальное значение: PWMHIGH.

Ширина импульсов tw автоматически рассчитывается внутри симулятора в соответствии с формулой:

Настроим U1 для удобства расчетов:

На вход U1 с V1 подается постоянное напряжение 0,25В (D=25%), что в соответствии с формулой, ширина импульсов должна быть 25 мс.

Теперь давайте посмотрим, что получилось на выходе. В данном случае нам необходимо посмотреть Cигнал во временной области, в Симуляторе это нам позволяет сделать следующий вид анализа: Transient (виртуальный осциллограф), который мы и настроим: отобразим сигнал Vout на временном промежутке от 0 до 200 мс, с шагом 100 мкс.

Запускаем расчет Transient (RUN), Смотрим график и убеждаемся в правильности формулы и работы модели электрической цепи:

У Fourier Analysis есть две настройки:

После настройки Fourier Analysis еще раз запускаем Transient и рядом с окном Transient появится окно Fourier Analysis:

Посмотрите, на нулевой частоте вертикальная красная линия равна 250 мВ, это и есть ПС, которую мы задали в самом начале, а правее от нее остальные составляющие спектра. Давайте посмотрим Сигнал и его спектр противоположного случая, при D=75% (V1=750 мВ), ширина импульса должна быть 75 мс и соответственно ПС должна быть равна 750 мВ:

Сравните внимательно спектры, ПС изменилась с 250 мВ на 750 мВ, а вот остальные спектральные составляющие не изменились в принципе.

Таким образом, для решения задачи преобразования энергии, как было сказано ранее, нас интересует только ПС, а значит надо отфильтровать ее от ВСЕХ ненулевых спектральных составляющих и это можно сделать только с помощью Фильтра Низких Частот (ФНЧ).

Как иголка в руках портнихи, так фильтр в преобразователе вышивает нить из полотна энергии.

ФНЧ можно реализовать двумя базовыми способами:

Создадим следующую схему фильтра “LPF work” в новом проекте:

Для наглядности и удобства дальнейших рассуждений с помощью пунктирных линий схема условно разделена на 3 части.

Так же необходимо учитывать, на первый взгляд не явную характеристику, а именно совокупную добротность Q ФНЧ и Нагрузки в целом, т.к. при высокой добротности в нагрузке могут появляться паразитные выбросы на f0.

В нашем случае добротность (Q) находится по следующей формуле:

Теория гласит, что в зависимости от добротности контура Q существует четыре режима его работы: колебательный, квазиколебательный, критический и апериодический:

колебательный, квазиколебательный режими наблюдаются при Q>0,5, в этих режимах наблюдаются резонансные явления;

критический режим при Q=0,5;

апериодический режим при Q

и посмотрим АЧХ схемы ФНЧ на графике даже не зная конкретных их значений. Для этого нам необходимо настроить и применить следующий тип расчета AC Sweep.

Зная, что f0=10 Гц, хорошо бы посмотреть АЧХ ФНЧ в точке Vload минимум в 10-ти кратном масштабе от этой частоты в обе стороны, т.е. от 1 Гц до 100 Гц, при этом рассчитывая по 100 точек на декаду частоты (т.е. диапазон когда частота изменится в 10 раз):

Запускаем расчет (RUN) AC Sweep и Смотрим график:

Заметьте, что в Output Expression функция Vload “обросла” новой функцией dB(Vload), которая логарифмирует представление нашего графика, нажимая еще раз на (RUN) AC Sweep смотрим:

На графике мысленно видна асимптота правой наклонной его части, а что же находится левее, надо и там все видеть. Для этого достаточно немного перенастроить частоту старта AC Sweep с 1 Гц на 0,01 Гц (т.е. 10 миллиГц):

Зная исходные данные можно проверить себя на правильность наблюдаемых данных. Для этого на графике мысленно построим две пересекающиеся асимптоты (на рисунке ниже: две зеленые линии вдоль прямых участков графика), при этом точка пересечения будет на частоте 5 Гц, это и есть частота среза фильтра

ftr = f0 / 2 = 10 / 2 = 5 Гц, что соответствует исходным данным задачи, а значит наши рассуждения и предварительные расчеты верны.

А что будет, если повысить добротность Q? Для этого достаточно в Text Frame отредактировать строчку +Q = 0.5, изменим Q в 10 раз: +Q = 5 и смело запускаем расчет:

Сравним график с предыдущим:

Цель ФНЧ это подавить все гармоники начиная с основной (f=10 Гц), при Q=0,5 основная гармоника была ослаблена примерно на 14 Дб, тогда как при Q=5 ослабление уменьшилось до 10Дб, т.е. характеристики ФНЧ ухудшились.

На частоте среза ftr = 5Гц появился крайне нежелательный ярко выраженный резонанс, т.к. он может внести в схему неожиданную Обратную Связь (ОС), которая может в корне изменить режимы работы всей схемы в целом.

Мы увидели как влияет Добротность системы ФНЧ+Нагрузка в критическом и колебательных режимах на характеристики ФНЧ, на основе чего сформулируем главный вывод применения ФНЧ в нашем случае: При проектировании ФНЧ для выделения ПС из Сигнала ШИМ необходимо, чтобы частота среза ФНЧ, была ниже основной гармоники Сигнала и исключены псевдоколебательный и уж тем более колебательный режимы работы ФНЧ.

Источник