Устройства запаздывания для воспроизведения дискретных сигналов

В тех случаях, когда входное напряжение устройства запаздывания представлено в дискретной форме, обычно в виде последовательности прямоугольных импульсов, для получения запаздывания можно принципиально использовать два метода построения устройств.

При первом методе воспроизводятся все частотные составляющие подаваемых импульсов, а запаздывание получается за счет соответствующего сдвига во времени этих составляющих.

При втором методе входные импульсы возбуждают различного рода импульсные устройства, которые, в свою очередь, через время запаздывания воздействуют на формирующие цепи, создающие на выходе импульсы, подобные входным.

К устройствам, использующим первый метод, принадлежат искусственные линии.

линии и составим уравнение для фазового сдвига ф0 одной из волн:

где а — угловой коэффициент линии или фазовая постоянная, определяющая изменение фазы тока или напряжения вдоль линии на единицу длины. В случае идеальной линии, т, е. линии без потерь (R = О,

— частота подаваемого на вход линии напряжения.

-представляет собой скорость распространения волн.

Длина волны в линии

Таким образом, в линии без потерь скорость распространения волны не зависит от частоты подаваемого на вход напряжения и равна с учетом уравнения (1.84)

Длина линии для получения времени запаздывания х будет равна

Так как величина v не зависит от частоты, то передача импульсов, обладающих широким спектром частот, не сопровождается искажением формы сигналов. Однако при больших значениях требуемого времени запаздывания длинная линия представляет собой слишком громоздкое устройство.

Так, например, для получения запаздывания, равного одной микросекунде, требуется в случае воздушной линии 300 м кабеля. Если вместо воздуха использовать диэлектрик, то можно в несколько раз сократить длину линии, однако для получения запаздывания в десятки и сотни микросекунд применение линии практически нецелесообразно.

В связи с этим для создания запаздывания применяют искусственные линии задержки с сосредоточенными постоянными L и С, выполняемые в виде многозвенных цепей по типу радиочастотных фильтров, либо используют среду, в которой импульсы распространяются сравнительно медленно. В последнем случае наибольшее распространение получили линии задержки, в которых распространяются акустические сигналы в виде ультразвуковых волн. В качестве среды, в которой распространяется сигнал, чаще всего используются ртуть, плавленый кварц и ферритовые или никелевые сердечники, обладающие магнито-стрикционным эффектом [12, 107].

При применении для создания запаздывания искусственных линий с сосредоточенными параметрами необходимо, чтобы их частотные и фазовые характеристики были близки к характеристикам длинной линии, так как только в этом случае достигается минимальное искажение проходящих через искусственную линию импульсов. Для выполнения этого требования необходимо соблюдение следующих условий.

Допустим, что (искусственная линий содержит п Г-образных звеньев без потерь типа /С, работающих на согласованную нагрузку (рис. 10). Сопротивления элементов одного Т звена равны:

В определенной области частот, называемой полосой пропуекания, звенья обладают малым затуханием, во всех других областях— большим затуханием.

При расчете и проектировании искусственных линий необходимо исходить из того основного условия, что в полосе пропускания постоянная затухания р этих линий должна быть близкой к нулю. Для соблюдения этого условия необходимо [62], чтобы выполнялось неравенство

Так как сопротивления Z и Z2 зависят от частоты, то неравенство (1.91) позволяет выявить границы полосы частот, в пределах которых р равно нулю.

В случае, когда сопротивления элементов звеньев искусственной линии определяются на основании уравнений (1.90) получаем

Условие (1.91) должно выполняться для частот, заключенных в полосе от нуля до граничной частоты среза сос, определяемой из условия

равен:

= О,

= 0, равно:

Для того чтобы выполнить требование линейности фазовой характеристики в полосе частот сигнала, необходимо выполнить

— наивысшая частота сигнала. Для

практических целей можно взять

цепи должна быть по меньшей мере вдвое больше наивысшей частоты сигнала. При

запаздывание на одно звено с учетом уравнений (1.99) и (1.102) равно

и, следовательно, для получения определенной величины запаздывания необходимо увеличить число звеньев. Для получения более крутой фазовой характеристики при построении искусственных линий используются усложненные звенья типа М, содержащие дополнительную индуктивность, включенную в вертикальную ветвь последовательно с емкостью С2 (рис. 11).

В этом случае величина индуктивности L1 связана с величиной индуктивности L звена типа К (см. рис. 10) отношением

которое является заданным постоянным числом. Для того чтобы полоса пропускания у звена типа М оставалась такой же, как и у рассмотренных выше звеньев типа /С, необходимо выдерживать следующие соотношения [93]:

Следовательно, частота среза для звеньев типа М будет равна, с учетом формулы (1.93),

Если выбрать значение т > 1, то согласно уравнению (1.107) увеличивается время запаздывания на одно звено и, кроме этого, значительно улучшается форма фазовой характеристики (рис. 12). Однако для получения т> 1 согласно формуле (1.105) в вертикальную ветвь необходимо ввести индуктивность, имеющую отрицательное значение, которое непосредственно реализовать

входящими в горизонтальные плечи Т-образного звена (рис. 13).

Поэтому для выбора величины взаимоиндукции получаем согласно уравнению (1.105) следующее выражение при т>1:

поэтому

Выражения (1.108) и (1.110) позволяют выбрать индуктивность, удовлетворяющую заданным требованиям. Общая величина индуктивности звена между точками /г—2 (рис. 13) будет равна

т. е. соответствует требуемому согласно уравнению (1.105) значению. Для создания с помощью искусственной линии регулируемого запаздывания, величина которого зависит от управляющего сигнала, производят изменение значения индуктивности путем подмагничивания сердечника катушки индуктивности [31].

В рассмотренных выше устройствах запаздывание сигнала обусловлено конечной скоростью распространения электромагнитной волны вдоль линии. Для создания запаздывания электрических сигналов можно также использовать конечную скорость распространения ультразвуковых волн. В этом случае электрический сигнал преобразуется в ультразвуковую волну с помощью электромеханического преобразователя и волна распространяется в некоторой среде до следующего преобразователя, который производит обратное преобразование сигнала.

Акустическая среда, расположенная по обе стороны от преобразователя, целиком характеризуется полными сопротивлениями, которые в большинстве случаев можно считать чисто активными.