Электрический импульс

Электрический импульс — кратковременный всплеск электрического напряжения или силы тока в определённом, конечном временном промежутке. Различают видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески высокочастотных колебаний. Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от нулевого потенциала) и двухполярные.

Характеристики импульсов

Форма импульсов

Важной характеристикой импульсов является их форма, визуально наблюдать которую, можно, например, на экране осциллографа. В общем случае форма импульсов имеет следующие составляющие: фронт — начальный подъём, относительно плоская вершина (не для всех форм) и срез (спад) — конечный спад напряжения. Существует несколько типов импульсов стандартных форм, имеющих относительно простое математическое описание, 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 τ или tи). 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.

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, длительности фронта и среза (спада) (для идеального прямоугольного импульса они равны нулю), неравномерность вершины, а также размер выбросов напряжения после фронта и среза, возникающих в результате переходных паразитных процессов.

Спектральное представление импульсов

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

Спектр одиночного импульса является непрерывным и бесконечным. Амплитудный спектр прямоугольного импульса имеет чётко выраженные минимумы по шкале частот, следующие с интервалом, обратным длительности импульса.

Многократные импульсы

Импульсные посылки (серии импульсов)

Иногда импульсы используются или возникают не поодиночке, а группами, которые называются сериями импульсов или импульсными посылками, в том случае, когда они формируются преднамеренно для передачи куда-либо. Импульсная посылка может нести какую-либо информацию единичного характера или служить в качестве идентификатора. 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, кадрами, фреймами. Кодирование информации в посылках может быть осуществлено разными способами: двоичный цифровой код, время-импульсный код, код Морзе, набор заданного количества импульсов (как 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, в процессе искрообразования в коллекторно-щёточных узлах. Последовательности подразделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через строго одинаковые интервалы времени. Длительность интервала называется периодом повторения (обозначается T), величина, обратная периоду — частотой повторения импульсов (обозначается F). Для последовательностей прямоугольных импульсов дополнительно применяются ещё две однозначно взаимосвязанных друг с другом параметра: скважность (обозначается 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 незначительным заполнением 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, возможны также случаи, когда в единый, в физическом смысле, сигнал вложено два вида информации, например, телевизионный сигнал с телетекстом.

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
• Эхо-сигнал в приёмных устройствах радиолокаторов и импульсных дефектоскопов

Примеры возникновения электрических импульсов в природе

• Импульсы от разрядов атмосферного электричества
• Нервные импульсы в живом организме
• Импульсы от разрядов электрических рыб