何谓脉冲信号?
下面将围绕用于各种采集与检测的脉冲信号概要进行说明。
电信号的“波”-脉冲信号
所谓“频率”,是指单位时间内重复的电信号振动数,“Hz(赫兹)”表示1秒钟内的振动数。同时,将这种在极短时间内产生的具有一定宽度的电信号波(矩形波)称为“脉冲”或“脉冲信号”。
脉冲信号的分类指标
脉冲信号具有多种类型,按照特性进行分类。下面介绍主要的脉冲分类指标。
1. 次数指标
在发生事态时仅发生1次的脉冲称为单次脉冲,连续重复发生的脉冲称为连续脉冲。单次脉冲用于通过检测等,连续脉冲用于电机转速采集等。
2. 持续时间(宽度)指标
从脉冲上升到峰值功率的半功率点与下降过程中的半功率点之间的时间间隔称为脉宽。包括从0.1 μsec的极小脉宽到达到数秒的脉宽等多种脉宽。
3. 间隔指标
重复脉冲开启/关闭的时间间隔指标。相对于脉宽表示脉冲开启时间,该指标表示关闭时间。在光通信中为提高比特率,需要在单位时间内聚集更多的脉冲,因此必须缩短输出的脉冲信号间隔。
4. 规律性指示
按照脉冲是以一定规律发生还是毫无规律地发生来进行分类。作为有规律的脉冲典型的有“串行通信信号”,典型的无规律脉冲有“人检测”等。
脉冲的用途与调制方式
脉冲的用途大致分为“利用输入的信号进行采集的用途”与“通过输出信号进行某种控制的用途”。基本采集用途可列举利用旋转编码器等检测电机转速,通过脉冲信号显示并分析转速。利用脉冲信号控制驱动的典型系统有步进电机(脉冲电机)或伺服电机等电机类。
控制电机类的脉冲调制
在这些系统控制中,不可或缺的是电信号“调制”,即在传送信息时“根据传送媒介的性质转换信号”。其中根据脉冲变化进行电信号传送及生成的方式称为“脉冲调制”。尤其在电机类控制中常用的调制方式是“脉宽调制(PWM/Pulse Width Modulation)”与“脉冲振幅调制(PAM/Pulse Amplitude Modulation)”。
脉宽调制(PWM)
通过脉宽(持续输出时间)与间隔(开启与关闭的间隔)控制电流与电压的方式。在某个期间中“脉冲开启时间”的比率称为“占空比(工作周期)”,通过改变占空比即可获得合适的电压。通过缩短开启/关闭的周期,可获得与开启脉宽成正比的电压,因此具有高效以及控制性优异的特点。
脉冲振幅调制(PAM)
与脉宽调制方式正相反,是通过脉冲强度(振幅)控制电流或电压的方式。在空调等的脉冲振幅调制变频器中,通过控制整流部电压,改变脉冲电压的振幅。
其他脉冲调制
脉冲编码调制(PCM/Pulse Code Modulation)
通过将模拟信号以一定周期进行标本化(采样)并转换(量子化)为二进制数,将输入的模拟信号转换为数字信号(脉冲列)的脉冲调制方式。将语音等模拟信号作为数字信号传送时使用,也称为模拟-数字转换。用途包括CD(CD-DA)、PCM记录仪、Blu-ray(BDMV)等。
脉冲密度调制(PDM/Pulse Density Modulation)
依据以一定宽度分割的时间内的脉冲密度,生成波形。通过将语音或影像等模拟信号替换为脉冲列,而转换为数字信号的方法之一,实现比传统的PCM更高的音质转换。用于新CD标准SACD(Super Audio CD)。
脉冲位置调制(PPM/Pulse Position Modulation)
将信号转换为一定时间范围的脉冲相位差(位置)的脉冲调制方式。特点在于,信息由脉冲位置决定,因此不易受干扰影响。用于通过改变每个交流电流周期的开启时间比例来控制电压,以调整照明或热源温度的“晶闸管相位控制”的控制用脉冲。