• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Генерування імпульсів.

Мета: набути навичок складання і аналізу роботи генераторів послідовностей імпульсів.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Генератори імпульсів та їх послідовностей мають широке використання у імпульсній техніці. Зокрема, такі генератори можуть використовуватись в задачах імпульсного живлення (наприклад, потужних лазерів), в задачах синхронізації, коли імпульси є сигналами початку певних операцій. Також імпульсні генератори складають основу цифрових кіл, для яких інформацію переносять лише два рівня сигналу: 1 та 0.

Послідовність імпульсів (інколи використовують термін послідовність „прямокутних” імпульсів) – періодичний сигнал (рис. 11.1), в якому протягом одного періоду Т спостерігаються дві ділянки з високою (U_max) та низькою (U_min) напругою. Власне, імпульсом вважається саме ділянка з високою напругою тривалістю t_імп = T - t₁. Зрозуміло, що в ідеальному випадку часом перемикання нехтують.

Окрім напруг та періоду повторення для послідовності імпульсів також використовують характеристики

частота слідування імпульсів – величина, обернена до періоду ,

шпарність імпульсів (інколи шпаруватість) – відношення періоду до тривалості імпульсу ,

коефіцієнт заповнення (duty cycle) – є величина, обернена до шпарності, .

Оскільки тривалість імпульсу може змінюватись від 0 до Т, шпарність змінюється від 1 (при t_імп = Т) до нескінченності. Чим більша шпарність тим довша відносна пауза між імпульсами. Коефіцієнт заповнення при цьому змінюється, як обернена величина, від 1 до 0. Тому досить часто коефіцієнт заповнення подається у відсотках. Коефіцієнт заповнення, величиною 100 %, відповідає за постійний струм (весь час триває імпульс), величиною 0 % – за повну відсутність імпульсів.

Послідовність імпульсів з шпарністю, рівною 2 (рівні тривалості сигналу та його відсутності) називають меандром.

Для генерування імпульсів використовують схеми з двома стійкими станами, між якими відбувається перемикання (бістабільні схеми). Бістабільні схеми утворюються з підсилювачів, охоплених позитивним зворотним зв’язком. Проте, найбільш розповсюджений бістабільний елемент – операційний підсилювач.

Розглянемо операційний підсилювач з позитивним зворотним зв’язком – так званий тригер Шмідта (рис. 11.2). Подільник напруги, виконаний на резисторах R1 та R2, передає на неінвертувальний вхід частину вихідної напруги, реалізуючи безпосередній позитивний зворотній зв’язок.

Як відомо, операційний підсилювач має два стабільні стани (див. попер. лаб. раб.). За одного з них на виході спостерігається позитивна напруга живлення, за іншого негативна.

Нехай у початковий момент часу (при включенні) на виході ОП встановилась позитивна напруга. В такому разі її частина (U₊₁= ) встановиться на неінвертувальному вході. Якщо вхідна напруга менша за U₊₁, на виході підтримується величина напруги живлення.

Якщо вхідна напруга перевищить U₊₁, відбудеться перемикання ОП і на виході встановиться негативне значення напруги живлення. Відповідно, частина її (U₊₂=‑ ) передасться на неінвертувальний вхід, внаслідок чого напруга на цьому вході зменшиться (U₊₁>U₊₂). Оскільки на інвертувальному вході діє напруга, більша за U₊₁, вона ж, очевидно, більша за U₊₂, тобто стан ОП стабілізується.

Протилежне переключення відбудеться коли на інвертувальному вході встановиться напруга менша за U₊₂. В такому разі більшою виявиться напруга на неінвертувальному вході і на виході встановиться позитивна напруга живлення.

У підсумку маємо: тригер має два стабільні стани, один з яких вмикається вхідною напругою, що перевищує U₊₁, інший – напругою, меншою за U₊₂. Графічне зображення описаної роботи задається петлеподібною діаграмою, наведеною на рис. 11.3.

Напруги U₊₁ та U₊₂, а відтак і ширина петлі, визначається співвідношенням опорів резисторів, які створюють позитивний зворотний зв’язок. Досить популярним в практичній реалізації є випадок однакового опору резисторів. В такому разі U₊₁ = U_живл/2, U₊₂ = -U_живл/2.

З використанням бістабільного тригера можна створити генератор імпульсів. Для цього слід використати ланку, що задаватиме переключення – негативний зворотний зв’язок. Схема генератора наведена на рис. 11.4.

Як видно, основним елементом генератора є тригер Шмідта. Розглянемо роботу генератора.

Нехай в момент включення на виході тригера встановилась позитивна напруга. На неінвертувальному вході ОП встановлюється напруга U₊₁.

Конденсатор С1 починає заряджатись від вихідної напруги через резистор R3. В якийсь момент напруга на конденсаторі перевищить U₊₁. В цей момент тригер переключиться у стан з негативною вихідною напругою U₊₂. Позитивно заряджений конденсатор почне розряджатись і набувати негативної напруги, оскільки вихідна є негативною. Досягнувши значення, меншого за U₊₂, напруга на конденсаторі перемкне тригер у стан з позитивною вихідною напругою і процес почне повторюватись.

Відтак, ланка R3 – C1 задає час між переключеннями тригера, тобто період послідовності імпульсів. Співвідношення величин опорів резисторів R1 та R2 визначає співвідношення напруг переключення U₊₁ та U₊₂, тобто теж впливає на формування періоду сигналу.

Більш детальний аналіз призводить до виразу для періоду послідовності

. (1)

Проте, цей вираз вірний лише для ідеального випадку. Реально, доводиться враховувати час перемикання операційного підсилювача та ряд інших факторів. Як вже було зазначено, часто обирають U₊₁ = U_живл/2, тобто у формулі присутній , значення якого майже не відрізняється від одиниці. В будь-якому разі логарифмування майже знівелює залежність періоду від напруг. Відтак, можна запропонувати загальну формулу

, (2)

в якій коефіцієнт буде визначатись, в основному, моделлю операційного підсилювача. Для ідеальних розрахунків .

Додатково слід зазначити, що при будь-якому співвідношенні опорів резисторів R1 та R2 шпарність сигналу залишається постійною і рівною 2. Тобто генератор, наведений на рис. 11.4 є генератором меандру.

Для впливу на шпарність послідовності імпульсів слід розділити кола заряду та розряду конденсатора. Найпростішим роздільником напрямів струмів є діод. Отже, схема генератора з керованою шпарністю наведена на рис. 11.5.

Як видно з рис. 11.5, резистор R3 замінений двома, до кожного з яких додано діод. Відтак, через один з резисторів конденсатор заряджається, через інший розряджається. Співвідношення резисторів визначає шпарність сигналу. За прикладом, наведеним на рис 11.5, величини опорів відрізняються удвічі. Тобто час заряду удвічі довший за час розряду. Як видно з осцилограми, виказане припущення підтверджується і шпарність сигналу близька до величини 3/2.

В реальних схемах час перемикання впливає і на формулу для шпарності сигналу. Для сигналів, близьких до меандру, можна використовувати співвідношення опорів

, (3)

але при сигналах з малим коефіцієнтом заповнення (великою шпарністю) визначальним стає час перемикання самого підсилювача, який принципово залежить від обраної моделі операційного підсилювача.

При визначенні періоду слід окремо врахувати час заряду і розряду конденсатора. Формула (2) набуде вигляду:

. (4)

Оскільки у формулі (4) часи заряду та розряду враховані окремо, величина близька до одиниці. В ідеальному випадку . Реально ж, повністю аналогічно до генератора меандру, цю величину встановлюють дослідним шляхом, враховуючі моделі операційного підсилювача, діодів, конденсатора.

Наведемо розрахунок генератора, наведеного на рис. 11.5.

Період послідовності імпульсів визначимо за формулою (4) спочатку в ідеальному наближенні

с = 32.7 мс.

Шпарність послідовності вже визначалась при аналізі роботи генератора. В ідеальному наближенні вона повинна становити

S = 3/2=1.5.

За осцилограмою вихідної напруги визначаємо дійсні величини

Т = 58.15 мс

S = 58.15 / 35.07 ≈ 1.66.

Як видно, відхилення дійсних значень від закладених є досить помітним. Обумовлене це, як вже зазначалось, неідеальними характеристиками обраної моделі операційного підсилювача. Дійсно, обрана модель LM741 відноситься до популярних моделей дешевого сегменту. В більшості задач дана модель є зручною в основному завдяки співвідношення ціна / якість. Відхилення експериментальних значень від ідеальних досить нескладно виміряти і скорегувати розрахункові формули.

Оскільки якісну корекцію слід проводити по великій кількості експериментів, слід скласти кілька схем генератора з різними параметрами і усереднити отримані результати.

Підсумком дослідження мають стати розрахункові формули (3-4), виправлені на неідеальні (експериментальні) характеристики даної моделі операційного підсилювача.

Читайте також:

1. Генерування гармонічних сигналів.
2. Генерування пилоподібних сигналів.
3. Мотивування творчого вирішення проблем, генерування та реалізації нових ідей
4. Нейрон. Нейроглія. Класифікація нейронів. Синаптичні контакти в центральній нервовій системі. Механізм синаптичної передачі імпульсів.
5. Пошук і генерування нових ідей
6. Принципи генерування АМ сигналів.
7. Суматорний асинхронний лічильник імпульсів.
8. Схеми генерування електричної енергії вітроустановками

Переглядів: 3837