11. Impulzné obvody

1. Impulzy

Impulz je zmena fyzikálnej veličiny, napríklad napäťový alebo prúdový impulz. Periodický signál obsahuje pravidelne opakujúce sa impulzy.

Obrázok č. 1: Hore - Impulzy - jednotkový, skok, pravouhlý, sínusový, trojuholníkový. Dole - periodické signály - sínusový, pravouhlý.

Obrázok č. 2: Skladanie signálov s frekvenciami f a 3.f

Základným signálom je sínusový priebeh. Skladaním sínusových signálov možno vytvoriť akýkoľvek iný signál alebo impulz. Signály a impulzy sú zložené zo sínusových (harmonických) signálov, ktoré sú násobkom základnej frekvencie signálu f0. Nazývame ich harmonické zložky. Na obrázku č. 2. je ukážka zloženia signálov s frekvenciami f0 a 3.f0. Odstránením alebo čiastočným potlačením niektorých zložiek sa mení tvar pôvodného signálu. Napríklad odstránením vyšších harmonických zložiek pravoúhleho signálu vznikne signál so "zvlnenými rohmi", ako je na obrázku č. 2.

2. Filtre

Filtre odstraňujú harmonické zložky zo signálu a tým menia jeho tvar. Podľa prepúšťaných frekvencí ich delíme na:

  1. horná priepusť - prepúšťa frekvencie vyššie ako je medzná frekvencia filtra
  2. dolná priepusť - prepúšťa frekvencie nižšie ako medzná frekvencia
  3. pásmová priepusť - prepúšťa frekvencie medzi dvoma medznými frekvenciami
  4. pásmová zdrž - prepúšťa frekvencie vyššie a nižšie ako sú medzné frekvencie

Obrázok č. 3: Frekvenčné charakteristiky filtrov - horná, dolná a pásmová priepusť, pásmová zdrž

Vlastnosti filtrov:

  • Medzná frekvencia fm sa určuje pri poklese napätia alebo prúdu na polovicu pôvodnej úrovne harmonickej zložky.
  • Útlm a je pomer vstupnej a výstupnej úrovne signálu pri danej frekvencii. Napríklad napätia, prúdu, výkonu. Jednotkou útlmu je deciBell, dB.     a = 20 log (U1/U2), a = 20 log (I1/I2), a = 10 log (P1/P2)

    Príklad: Na výstupe a vstupe filtra sú napätia U2 = 0,1 V a U1 = 10 V. Vypočítajte útlm filtra:
    a = 20 . log (U1/U2) = 20 . log (10/0,1) = 20 . log (100) = 20 . 2 = 40 dB

  • Frekvenčná charakteristika - závislosť poklesu signálu od frekvencie, viď obrázok č. 3
  • Fázová charakteristika - vyjadruje posun signálov pri prechode filtrom. U ideálneho filtra by mal byť posun nolý pre všetky frekvencie, teda charakteristika je lineárna:

    Obrázok č. 4: Fázová charakteristika ideálneho filtra

Druhy filtrov:

  • pasívne elektrické - z pasívnych súčiasok - kondenzátory, cievky, rezistory
  • aktívne elektrické - obsahujú syntetickú indukčnosť a kapacitu
  • číslicové - pomocou programu
  • keramické  - princíp zvukového vlnenia

Články pasívnych filtrov:

Obrázok č. 5: a) T - článok, b) Pí - článok, c) príklad T horná priepusť, d) príklad Pí, dolmá priepusť 

3. Prechodné deje

Po privedení napäťového skoku na kondenzátor dochádza k jeho nabíjaniu. Možno vytvoriť integračný alebo derivačný článok. Časová konštanta t = 0,7.R.C

Obrázok 7: a) integračný článok, b) derivačný článok

4. Klopné obvody (KO)

Klopné obvody vytvárajú impulzy. Pracujú na princípe prechodných dejov, obsahujú kondenzátor alebo cievku.Rozdelenie KO podľa opakovania impulzov:

  • astabilný KO - neustále kmitá, nemá stabilný stav
  • monostabilný KO - má jeden stabilný stav, po privedení riadiaceho impulzu sa preklopí do druhého stavu a ponastavenom čase sa vráti späť do stabilného stavu
  • bistabilný KO - má 2 stabilné stavy, zotrváva v jednom z nich, po privedení riadiaceho impulzu sa preklopí do druhého stabilného stavu v ňom zotrvá znova do privedenia riadiaceho impulzu

Obrázok č. 6: a) KO, b) príklad zapojenia astabilného KO s RC väzbou

5. Operačný zosilovač (OZ)

Operačný zosilňovač je jednoduchý analógový integrovaný obvod s veľmi veľkým prúdovým a napäťovým zosilnením. Má veľký vstupný odpor a malý výstupný odpor. OZ sa vyrábajú vo forme integrovaného obvodu. Ak chceme použiť OZ ako zosilovač napätia, treba nastaviť požadovanú hodnotu zosilnenia. Preto sa používajú diferenciálne operačné zosilovače, ktoré majú dva vstupy - neinvertujúci (+) a invertujúci (-). Na invertujúci vstup sa cez odporový delič privedie signál z výstupu, čím sa nastaví presné zosilnenie. Zosilnenie A je dané pomerom výstupného a vstupného napätia: A = U2 / U1 = R2 / R1 . Invertujúci zosilovač mení polaritu zosilneného signálu, neinvertujúci zosilovač ju nemení.

Príklad: Vypočítajte zosilnenie DOZ ak R2 = 10 kΩ, R1 = 100 Ω. ..... A = R2 / R1 = 10.000Ω/100Ω = 100.



Obrázok č. 8: a) invertujúci zosilovač, b) neinvertujúci zosilovač

Integračný a derivačný zosilovač sa chová ako integračný a derivačný článok, s tým že signál zosilní. Rozdielový zosilovač zosilní rozdiel vstupných napätí.

Otázky na opakovanie

  1. Nakreslite pravouhlý a sínusový preiodický signál.
  2. Nakreslite skladanie sínusových signálov f a  3.f, ktoré obsahuje pravouhlý signál .
  3. Nakreslite graf pre hornú a dolnú priepusť.
  4. Nakreslite príklad zapojenia T a Pí článku.
  5. Vypočítajte útlm filtra, ak na výstupe a vstupe sú napätia U2 = 1 V a U1 = 10 V.
  6. Vypočítajte útlm filtra, ak na výstupe a vstupe sú výkony P2 = 10 mW a P1 = 100 mW.
  7. Čím sa líšia astabilný, monostabilný a bistabilný klopný obvod?
  8. Nakreslite priebeh napätia na integračnom a derivačnom článku.
  9. Aké vstupy a výstupy na diferenciálny zosilovač a na čo sa dajú použiť?