Grundlagen der Impulstechnik PDF
Preview Grundlagen der Impulstechnik
G.-H. Schildt Grundlagen der Impulstechnik Moeller Leitfaden der Elektrotechnik Herausgegeben von Professor Dr.-Ing. Hans Fricke Technische Universitiit Braunschweig Professor Dr.-Ing. Heinrich Frohne Universitiit Hannover Professor Dr.-Ing. Karl-Heinz Locherer Universitiit Hannover Professor Dr.-Ing. Paul Vaske t Band XIII Grundlagen der Impulstechnik 83 B. G. Teubner Stuttgart Grundlagen der Impulstechnik Von Dr.-Ing. Gerhard-Helge Schildt o. Univ.-Professor an der Technischen UniversWit Wien Mit 364 Bildern, 9 Tafeln und 34 Beispielen 83 B.G. Teubner Stuttgart 1987 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Leitfaden der Elektrotechnik / Moeller. Hrsg. von Hans Fricke ... - Stuttgart : Teubner NE: Moeller, Franz [Begr.]; Fricke, Hans [Hrsg.] Bd. 13. Schildt, Gerhard Helge: Grundlagen der lmpulstechnik. - 1987 Schildt, Gerhard-Helge: Grundlagen der lmpulstechnik / von Gerhard-Helge Schildt. Stuttgart: Teubner, 1987. (Leitfaden der Elektrotechnik ; Bd. 13) ISBN-13: 978-3-519-06412-1 e-ISBN-13: 978-3-322-84861-1 001 10.1007/978-3-322-84861-1 Das Werk einschliel3lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung aul3erhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fiir Ver vielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © B. G. Teubner Stuttgart 1987 Umschlaggestaltung: M. Koch, Reutlingen Vorwort Die Impulstechnik spielt heute in der gesamten Elektrotechnik, insbesondere in der Datentechnik und Automatisierungstechnik, eine bedeutende Rolle. Kenntnisse iiber die Grundlagen impulsformiger Vorgange sowie die Fahigkeit zur Dimensionierung impulsverarbeitender Schaltungen sind Grundvorausset zungen fUr jeden, der auf diesem Gebiet erfolgreich tatig sein will. Das vorlie gende Buch "Grundlagen der Impulstechnik" als Bestandteil der Lehrbuch reihe "Leitfaden der Elektrotechnik" solI die erforderlichen Grundlagen ver mitteln. Es wendet sich dabei sowohl an Studierende der Elektrotechnik als auch an bereits in der Praxis tatige Ingenieure, die an impulstechnischen Auf gabenstellungen arbeiten. Zur Bearbeitung des Stoffes werden keine besonde ren mathematischen Kenntnisse vorausgesetzt. Wo jedoch spezielle mathemati sche Verfahren benotigt werden, wird in die Berechnungsverfahren - soweit zur Losung impulstechnischer Aufgabenstellungen erforderlich - eingefUhrt. Das Buch behandelt in den Abschnitten 1 bis 3 die allgemeinen Grundlagen der Impulstechnik, die mit Hilfe mathematischer Verfahren (Fourierreihenent wicklung, Laplace- und Fouriertransformation) beschrieben werden. Neben ei ner EinfUhrung in die Bedeutung und die Kenngrol3en der Impulstechnik wer den Impulsfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich dargestellt sowie die Im pulsverformung durch lineare Dbertragungsnetzwerke betrachtet. Die Abschnitte 4 bis 6 befassen sich anwendungsbezogen mit der Impulsaus brei tung auf elektrischen Leitungen, der Abtasttechnik, verschiedenen Pulsmo dulationsverfahren, dem Einflul3 nichtlinearer Bauelemente auf die Dbertra gung und Verformung von Impulsen durch elektrische Netzwerke. Der Abschnitt 7 behandelt schwerpunktmaBig Schaltungen der Impulstechnik wie Begrenzer-, Klemm-, Komparator- und Torschaltungen, Kippstufen, Im pulsgeneratoren und Impulszahler. Da technologisch bedingte Einzelheiten verschiedener Schaltkreisfamilien durch die rasche Weiterentwicklung der Halbleiter- und Digitaltechnik in immer kiirzeren Zeitabschnitten in ihrer Be deutung veralten, wurde besonderer Wert darauf gelegt, bei einem Buch iiber die Grundlagen der Impulstechnik ohne die Betrachtung technologisch be dingter Besonderheiten von speziellen Schaltkreisfamilien auszukommen. Die in den einzelnen Abschnitten dargestellten Zusammenhange werden durch die beigegebenen Beispiele vertieft, deren Bearbeitung durch einen ausfUhrlichen Anhang unterstiitzt wird. VI Vorwort Der Verfasser dankt den Herausgebero des "Leitfadens der Elektrotechnik" fur die Aufnahme seines Buches in diese bekannte Lehrbuchreihe. Sein besonderer Dank gilt Herro Prof. Dr.-Ing. H. Fricke fur seine intensive Betreuung und die zahlreichen hilfreichen Ratschlage bei der Erstellung dieses Buches. Nicht zuletzt gilt sein Dank auch dem Verlag fur das verstandnisvolle Eingehen auf die Wunsche des Verfassers und fUr die Betreuung bei der Entstehung und Gesamtgestaltung des Buches. Braunschweig, im Fruhjahr 1987 Gerhard H. Schildt Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei AbschluB des Manuskriptes. MaBgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Norm Nummern des DIN Deutsches Institut fUr Normung e. V., die durch den Beuth-Verlag, Berlin und KOln, zu beziehen sind. - SinngemaB gilt das gleiche fUr al\e in diesem Buch angezogenen amtlichen Richtlinien, Bestimmungen, Verordnungen usw. Inhalt 1 Bedeutung und Kenngro8en der Impulstechnik 1.1 Definition eines Impulses 2 1.2 Impulsformen 2 1.3 ImpulskenngroJ3en 4 1.3.1 Impuls ... 4 1.3.2 Impulsfolge 7 1.4 Elementare Impulsfunktionen 11 1.4.1 Sprungfunktion . 11 1.4.2 StoJ3funktion . . . . . . . 14 1.4.3 Rampenfunktion 16 1.5 StoJ3antwort-, Sprungantwort- und Anstiegsantwortfunktion fur lineare Obertragungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 2 Impulsfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich 2.1 Fourierentwicklung periodischer Impulsfunktionen 19 2.1.1 Rechteckschwingung 25 2.1.2 Sagezahnschwingung . . 27 2.1.3 Pulsfolge . . . . . . . . . 28 2.1.4 Alternierende Pulsfolge 30 2.2 Fourierentwicklung nichtperiodischer Impulsfunktionen 35 2.2.1 Diracfunktion . 43 2.2.2 Sprungfunktion 44 2.2.3 Rechteckimpuls 50 2.2.4 si-Impuls . . . . 51 2.2.5 GauBimpuls .. 53 2.2.6 Endliche Anzahl von Impulsen 55 2.2.7 Bestimmung der Frequenzfunktion durch Differentiation im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57 VIII Inhalt 3 Impu)sverformung durch Iineare Obertragungsnetzwerke 3.1 Der Ubertragungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61 3.2 Impulsverformung durch Systeme mit idealisierten Ubertragungs- faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2.1 Idealer Tiefpaf3 ......... 67 3.2.2 Gauf3scher Ubertragungsfaktor 71 3.3 Impulsverhalten pas siver Netzwerke 75 3.3.1 Ubergang zur Laplacetransformation 75 3.3.1.1 Verschiebungssatz. 3.3.1.2 Differentiation im Zeitbe reich. 3.3.1.3 Laplacetransformierte elementarer Impulsfunk tionen. 3.3.1.4 Bestimmung der Systemantwortfunktion 3.3.2 Passive Netzwerke mit einem Energiespeicher ........ 83 3.3.2.1 Impulsverformung durch Tiefpaf3glieder. 3.3.2.2 Im pulsverformung durch Hochpaf3glieder 3.3.3 Passive Netzwerke mit komplemenUiren Energiespeichern 101 3.3.3.1 Impulsverformung am Schwingkreis. 3.3.3.2 Impuls verformung am Ubertrager 4 Impulse auf Leitungen 4.1 Grundlagen der Impulsausbreitung auf Leitungen 115 4.1.1 Leitungsgleichungen ............. . 116 4.1.2 Allgemeine L6sung der Leitungsgleichungen 117 4.1.3 Ubertragungsfunktion der Leitung 119 4.1.4 Impulseinspeisung in Leitungen 124 4.2 Angepaf3t abgeschlossene Leitungen 128 4.2.1 Verzerrungsfreie Leitung 128 4.2.2 Thomson-Leitung . . . . 131 4.2.3 Dampfungsfreie Leitung 134 4.2.4 Laufzeitleitung ..... 135 4.2.4.1 Kettenleiter. 4.2.4.2 Ubertragungsfunktion der Lauf zeitkette. 4.2.4.3 Einheitsimpulsantwortfunktion. 4.2.4.4 Ein heitssprungantwortfunktion. 4.2.4.5 Laufzeit. 4.2.4.6 Schal tungsanordnungen 4.3 Nicht-angepaJ3t abgeschlossene Leitungen ............. 146 4.3.1 Mehrfachreflexionen an linearen Leitungsabschliissen . .. 155 4.3.2 Mehrfachreflexionen an nichtlinearen Leitungsabschliissen 164 InhaIt IX 5 Pulsmodulation 5.1 Abtasttechnik 169 5.1.1 Abtastwert .............. . 169 5.1.2 Periodische Folge von Abtastwerten 170 5.1.3 Modulationstragerfunktion ..... 171 5.1.4 Spektrum der Modulationstragerfunktion 172 5.1.5 Zeitfilter ....... . 173 5.1.6 Abtast- und Haltekreis 174 5.1.7 Abtastoszillographie 175 5.1.8 Abtasttheorem 177 5.2 Pulsmodulation 179 5.2.1 Pulsamplitudenmodulation 181 5.2.1.1 Pulsamplitudenmodulation 1. Art. 5.2.1.2 Pulsamplitu denmodulation 2. Art. 5.2.1.3 Modulation. 5.2.1.4 Demodula tion 5.2.2 Pulsdauermodulation ....................... 186 5.2.2.1 Pulsdauermodulation 1. Art. 5.2.2.2 Pulsdauermodula- tion 2. Art. 5.2.2.3 Modulation. 5.2.2.4 Demodulation 5.2.3 Pulsphasenmodulation ...................... 194 5.2.3.1 Pulsphasenmodulation 1. Art. 5.2.3.2 Pulsphasenmo dulation 2. Art. 5.2.3.3 Modulation. 5.2.3.4 Demodulation 5.2.4 Pulscodemodulation ....................... 198 5.2.4.1 Quantisierung. 5.2.4.2 Codierung. 5.2.4.3 Codierver fahren 6 Einflu6 nichtIinearer Bauelemente 6.1 Dioden ............ . 206 6.1.1 Halbleiterdiode .... . 206 6.1.1.1 Ersatzschaltung der Diode fUr das Schaltverhalten. 6.1.1.2 Einschaltvorgang. 6.1.1.3 Ausschaltvorgang. 6.1.1.4 Dynamische Umschaltkennlinie 6.1.2 Schaltdioden fUr den Nanosekundenbereich ......... 220 6.1.2.1 Speicher-Schaltdiode. 6.1.2.2 Metall-Halbleiterdiode. 6.1.2.3 Tunneldiode 6.2 Bipolarer Transistor ........................... 230 6.2.1 Schaltvorgange .......................... 232 6.2.1.1 Schaltprinzipien. 6.2.1.2 Schaltvorgang bei ohmscher Last. 6.2.1.3 Schaltvorgang bei kapazitiver Last. 6.2.1.4 Schalt vorgang bei induktiver Last X Inhalt 6.2.2 Schaltverhalten .......................... 238 6.2.2.1 Ersatzschaltungen. 6.2.2.2 Einschaltvorgang. 6.2.2.3 Ausschaltvorgang. 6.2.2.4 Schaltzeiten. 6.2.2.5 Verbesserung des Schaltverhaltens 6.3 Feldeffekt-Transistor 252 6.3.1 Betriebsbereiche ....................... 255 6.3.1.1 GroB-Signal-Ersatzschaltung. 6.3.1.2 Ausgangskennli nienfeld. 6.3.1.3 Funktionen der Kennlinienabschnitte 6.3.2 Schaltverhalten .......................... 260 6.3.2.1 Inverter mit ohmscher und kapazitiver Last. 6.3.2.2 In verter mit FET- und Kapazitatslast. 6.3.2.3 CMOS-Inverter 7 Schaltungen der Impulstechnik 7.1 Impulsverstarker . . . . . . 278 7.1.1 Lineare Impulsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 7.1.1.1 Anforderungen. 7.1.1.2 RC-VersHirker in Emitterschal tung. 7.1.1.3 Mehrstufige RC-Verstarker. 7.1.1.4 Spannungs folger 7.1.2 Nichtlineare Impulsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 7.1.2.1 Anforderungen. 7.1.2.2 Regenerative Signalverstar kung 7.2 Begrenzer-, Klemm-, Komparator- und Torschaltungen 307 7.2.1 Begrenzerschaltungen ...................... 307 7.2.1.1 Wirkungsweise. 7.2.1.2 Schaltungen. 7.2.1.3 Anwen dungen 7.2.2 Klemmschaltungen ........................ 318 7.2.2.1 Wirkungsweise. 7.2.2.2 Schaltungen. 7.2.2.3 Anwen dungen 7.2.3 Amplitudenkomparatoren .................... 326 7.2.3.1 Wirkungsweise. 7.2.3.2 Schaltungen. 7.2.3.3 Anwen dungen 7.2.4 Torschaltungen .......................... 333 7.2.4.1 Wirkungsweise. 7.2.4.2 Schaltungen. 7.2.4.3 Anwen dungen 7.3 Kippstufen ..................... . 338 7.3.1 Bistabile Kippstufen ............ . 344 7.3.1.1 Wirkungsweise. 7.3.1.2 Schaltungen 7.3.2 Monostabile Kippstufen .......... . 356 7.3.2.1 Wirkungsweise. 7.3.2.2 Schaltungen
The list of books you might like
