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冲激信号定义与物理量模拟

冲激信号
目 录 Contents
函数演变
狄拉克函数
分配函数
物理模拟
课堂演示
放电火花

 

§01 激信号


  本周的信号与系统课程中,对于 δ ( t ) \delta \left( t \right) δ(t) 进行了讲解。由于 δ ( t ) \delta \left( t \right) δ(t) 概念非常重要,同时它又具有不同于一般信号(函数)的特点,这就使得它理解和掌握它成为信号与系统分析课程一开始的一个重点。

  在 教授编著的 教科书中,从以下三个方面对 δ ( t ) \delta \left( t \right) δ(t) 做了说明。

1.1 函数演变

  利用面积为1,宽度逐步趋向于0 的矩形脉冲信号的极限定义冲激信号。这种方式也揭示了冲激信号可以作为物理世界中一些短促作用信号的抽象。这种定义函数极限的概念与普通的极限不同,也被称为

▲ 图1.1 函数演变定义冲激信号

  利用函数演变说明冲激信号可以选择不同的函数,比如矩形波限号、三角波信号、高思信号、采样(Sinc)信号等等,只要保证信号对应的面积在宽度减小过程中始终保持为1,它们的极限都是冲激信号。

▲ 图1.1.2 高斯信号对应的广义极限逼近冲激信号过程

1.2 狄拉克函数

  在 介绍了 在1930年他的一本关于量子力学开教材中首次引入了 ,用于描述等物理量。

  在数学上表述这些物理量可以使用冲激函数,定义如下:

▲ 图1.2.1 狄拉克对于冲击函数的定义

  根据上面定义,Delta函数可以看成单位阶跃函数的导数。

δ ( t ) = d d t u ( t ) \delta \left( t \right) = {d \over {dt}}u\left( t \right) δ(t)=dtd​u(t)

  可以证明上面两种定义是等效的。如果 一个信号出现不连续(阶跃)部分,它的导数中就会出现冲击信号。

  上面两种定义虽然刻画了冲激信号的主要方面,但在数学上并不是严格的。比如 δ ( t ) + δ ′ ( t ) \delta \left( t \right) + \delta '\left( t \right) δ(t)+δ′(t) 就满足上面两种定义,但它不同于 δ ( t ) \delta \left( t \right) δ(t) 本身。

1.3 分配函数

  1950年,L.Schwartz 建立的分配理论为解决冲激信号定义这一困难奠定了基础。 δ ( t ) \delta \left( t \right) δ(t) 信号的形式已经超出了“普通函数”的概念。但是一“分配函数(distribution function)”,或者“广义函数(generalized function)”的概念来研究奇异函数就可以给出严格数学定义。

  在分配函数中,实际上利用了冲激信号的抽样特性反过来定义出冲激信号本身。对于任意测试函数 f ( t ) f\left( t \right) f(t) ,只要满足在0点连续,那么就有:

∫ − ∞ ∞ f ( τ ) δ ( τ ) d τ = f ( 0 ) \int_{ - \infty }^\infty {f\left( \tau \right)\delta \left( \tau \right)d\tau } = f\left( 0 \right) ∫−∞∞​f(τ)δ(τ)dτ=f(0)

  根据这个定义,可以定义出两个冲激信号相加,冲激信号的数承,反褶以及尺度定义。

 

§02 理模拟


  激信号可以对持续时间短、瞬间作用信号的近似。比如闪电、敲击、爆炸等。

▲ 图2.1 冲激信号可以对持续时间短、瞬间作用信号的近似

▲ 图2.2 电容放电过程

2.1 课堂演示

  往年在信号与系统课程中,在讲解冲激信号的过程中,演示电容瞬间放电产生充激电流现象的实验装置。主要核心是由三个耐压450V,470uF的高压储能电容并联,外部固定两个放电铜柱。

▲ 图2.3 高压电容放电过程演示

  电路中还包括有振荡电路产生高频方波,再由变压器升压、桥式整流后产生直流高压冲入储能电容。原本的实验是邀请课上的同学使用长柄改锥短路放电铜柱,观察充激放电电流所产生的巨大火花和声响,为了安全,后来改成使用舵机带动短路铜柱完成放电。

  上图中可以看到储能电容的电压在短路瞬间跳变至0,对应的电流应该达到上千A。现场会产生火花和爆炸声响。下图显示了使用手机拍摄的减慢10倍放映的录像,虽然看到了放电瞬间的火光,但还是遗漏了现场看到的绚丽的火花。

▲ 图2.4 高压电容放电慢镜头

  每次课堂演示时,还是会邀请两位同学近处观察,我则远远躲开,使用无线遥控器控制舵机运动完成高压电容短路实验。

  很可惜,在本周课堂上进行高压电容放电演示的时候,实验台的无线接收模块出现故障,没有能够成功在课堂上引爆高压电容。上面的动图是来自公众号之前 推文中的插图。

2.2 放电火花

  在前几天 中观察了打火机压电陶瓷释放点火火花过程,这是一个小规模的闪电。在短时间内释放了一定量的电荷,可以看做一个冲击电信号。

  下面通过示波器观察压电陶瓷在固定电阻上放电过程,可以看到冲击电流的波形。示波器两端固定在电阻上,可以观察到电阻两端的冲击电压信号。

▲ 图2.2.1 压电陶瓷在电阻上放电

  下面是在1000欧姆的电阻上,使用TDS5104示波器观察到的冲击信号。

▲ 图2.2.1 1000欧姆电阻上放电电压信号

  下面是在10欧姆电阻上,使用DS6104示波器观察到的冲击信号。对比上下两个冲激信号,可以看到不同示波器,不同的放电电阻所产生的冲击信号波形相差很大。

▲ 图2.2.1 10欧姆电阻上放电电压信号


  • 郑君里
  • 信号与系统
  • Dirac delta function
  • P.A.M.Dirace
  • 信号可以如此的冲动

  • 图1.1 函数演变定义冲激信号
  • 图1.1.2 高斯信号对应的广义极限逼近冲激信号过程
  • 图1.2.1 狄拉克对于冲击函数的定义
  • 图2.1 冲激信号可以对持续时间短、瞬间作用信号的近似
  • 图2.2 电容放电过程
  • 图2.3 高压电容放电过程演示
  • 图2.4 高压电容放电慢镜头
  • 图2.2.1 压电陶瓷在电阻上放电
  • 图2.2.1 1000欧姆电阻上放电电压信号
  • 图2.2.1 10欧姆电阻上放电电压信号

标签: 高压陶瓷电容的原理特点

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