Impulsgenerator

Ein Impulsgenerator ist eine elektronische Schaltung oder ein Gerät, um entweder einmalig oder wiederholt für einen kurzen Zeitraum elektrische Leistung abzugeben.

Die Impulsform und -höhe (Zeitverlauf der Amplitude) sind die wesentlichen Merkmale eines Impulsgenerators. Es können sowohl rechteckförmige Impulse (siehe auch Rechteckgenerator) als auch Pulse verschiedenster Formen (Arbitrary-Wave-Generator, Nadelimpulse, Sägezahnimpulse...) erzeugt werden.

Anwendungen sind zum Beispiel die Zeitbereichsreflektometrie, die Steuerung der Sendeimpulse von Radargeräten, die Takterzeugung und -verteilung in Uhrenanlagen, Digitalschaltungen oder Computern sowie die Synchronisation verschiedener periodischer Vorgänge.

Schaltung eines Impulsgenerators mit einem IC

Oszillogramme des Impulsgenerators an unterschiedlichen Messpunkten

Elektronische Schaltungen

Beispiele

Die Schaltung im nebenstehenden Bild zeigt eine besonders einfache Art, sehr kurze Impulse mit vorgegebener Dauer und Wiederholfrequenz herzustellen. Der Oszillator ist ein Kippschwinger, der eine Rechteckspannung (Spannungsverlauf A) erzeugt. Die Periodendauer T lässt sich annähernd mit der angepassten Größengleichung

T ≈ 0,7· C1· 500 Ω

berechnen. Für eine Frequenz von 20 kHz benötigt man somit C1 = 150 nF.

Diese Rechteckspannung wird auf einem Weg direkt (Signal A) zu einem NAND-Gatter geführt und auf einem anderen Weg verzögert und invertiert (Signal B) zum anderen Eingang des NAND-Gatters. Ohne Verzögerung würde die Ausgangsspannung des invertierenden NAND-Gatters stets +5 V betragen. Wegen der kurzen Verzögerung durch das RC-Glied und der Laufzeit des invertierenden UND-Gatters treten jedoch sehr kurze Zeiten von einigen Nanosekunden auf, während derer das Signal A schon auf +5 V ist und das Signal B noch nicht 0 V erreicht hat. Während dieser Zeit beträgt die Ausgangsspannung X kurzzeitig 0 V. Falls umgekehrte Polarität gewünscht wird, kann ein weiterer Inverter verwendet werden, um den Signalverlauf X umzukehren. Die Spannung Y ist dann fast ständig auf 0 V und springt kurzzeitig auf +5 V.

Mit dem Kondensator C2 kann man die Dauer T_p der erzeugten Impulse festlegen. Es gilt der Zusammenhang

$T_p \approx 0{,}7\cdot {C2}\cdot 500\;\Omega+15\;\mathrm{ns}$

Der letzte Summand ist die Signallaufzeit zwischen Ein- und Ausgang des Logikgatters und kann dem Datenblatt entnommen werden. Wenn C2 = 22 pF gewählt wird, dauert jeder Impuls 23 ns.

Verwendet man Gatter schnellerer Logikfamilien wie Advanced-TTL, so lassen sich auch erheblich kürzere Impulsdauern erzielen.

Frequenzverdopplung eines digitalen Signals

Eine Frequenzverdopplung von Rechteckschwingungen im Frequenzbereich bis zu einigen 100 MHz kann man mit einem XOR-Gatter erzielen, wenn man einen Eingang unmittelbar und den anderen mit einem geringfügig verzögerten Signal (RC-Glied) speist. Die entstehenden Nadelimpulse sind phasengebunden und etwa so kurz wie die Zeitkonstante des RC-Gliedes. Da dieses Verfahren keine Resonanzfilter verwendet, kann das Eingangssignal beliebige Tastverhältnisse besitzen bzw. stark frequenzmoduliert sein.

Eine weitere Impulsschaltung ist das Monoflop; es erzeugt bei Triggerung nur einen einzigen Impuls. Durch Zusammenschaltung zweier Monoflops lassen sich Impulsfolgen mit einstellbarem Verhältnis zwischen Pulsdauer und Pause herstellen.

Geräte

Impulsgeneratoren in Geräteform werden zu Mess- und Prüfzwecken eingesetzt. Einfache Geräte können nur Einzelpulse oder Pulsfolgen mit einem 5-V-Pegel (TTL-Signale) erzeugen. Oft sind jedoch nicht nur Frequenz und Pulsdauer einstellbar, sondern auch die Pegel der oberen und unteren Spannung der Rechtecksignale. So lassen sich Steuersignale erzeugen, um zum Beispiel das Zeitverhalten einer Analog-Digital-Wandlung zu prüfen.

Arbitrary-Wave-Generatoren erlauben es darüber hinaus, auch jede von der Rechteckform abweichende Impulsform zu entwerfen und periodisch in schneller Folge zu generieren.

Die Ausgangsimpedanz vieler dieser Geräte beträgt 50 Ohm, um die erzeugten Impulse mit üblichen Koaxialkabeln dieser Kabelimpedanz ohne Reflexionen und Verformungen übertragen zu können.

Impulsgeneratoren für die Hochspannungsprüfung in EMV-Laboren erzeugen kurze Hochspannungsimpulse definierter Form, um die Isolation und die ESD-Festigkeit elektronischer Geräte oder Bauteile zu testen.

Generatoren für sehr hohe Stromimpulse werden zur Prüfung des Überstromverhaltens von Kabeln, Sicherungen oder Stromwandlern benötigt.