• 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

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Та формувачі імпульсів

9.1 Визначення, умови самозбудження

та класифікація генераторів

В процесі виявлення, обробки та передачі електричних інформаційних сигналів широко використовуються додаткові коливання, параметри яких визначаються при проектуванні РЕА. Для цього створюються спеціальні функціональні пристрої, на вхід яких. на відміну від ЕП, ззовні не поступають вхідні керуючі сигнали. Такі схеми працюють в автоко­ливальному режимі, тобто на їх виході за рахунок перетворення енергії джерела постійної напруги ( джерела живлення ) створюються періодичні коливання при відсутності вхідного збудження. В основі побудови генераторів, які формують електричні коливання заданої частоти, амплітуди та форми ( генераторів незатухаючих коливань - ГНК) лежить принцип реле, розглянутий в розд.1. Як і в підсилювачах, за допомогою активних компонентів в ГНК потужність джерела живлення використовується для формування нових сигналів з запрограмованими параметрами.

На рис.1.8. показана типова функціональна схема ГНК, до складу якої входять джерело живлення, ЕП та схема позитивного зворотного зв`язку, яка підключається між виходом та входом. Для виникнення та збереження незатухаючих електричних коливань необхідно забезпечити дві умови самозбудження генераторів:баланс фаз та баланс амплітуд.

При підключенні генератора до джерела живлення за рахунок зовнішніх чи внутрішніх завад на вході підсилювача появляється стрибок напруги ( позитивний або негативний). Він підсилюється ЕП, виділяється на його виході і через схему зворотного зв`язку поступає на вхід. Баланс фаз вимагає, щоб фаза сигналу зворотного зв`язку співпадала з фазою початкового стрибка на вході ЕП. За такої умови ці сигнали складаються, амплітуда на вході і на виході зростає, що викликає подальше лавиноподібне наростання амплітуди на виході. Зазвичай рівень зростання сигналів на виході (амплітуда вихідного сигналу) обмежується рівнем постійної напруги джерела живлення. За досягнення таких значень швидкість наростання вихідного сигналу уповільнюється. Після досягнення максимума починається зменшення амплітуди на виході, через схему ЗЗ це передається на вхід ЕП. Починається лавиноподібний процес зменшення вихідного сигналу майже до нуля, а потім починається новий цикл наростання. Описаний процес стає можливим лише за балансу фаз. Але цього недостатньо для формування незатухаючих коливань.

Баланс фаз необхідно сумістити з балансом амплітуд. Схеми ЗЗ зазвичай будуються за допомогою пасивних компонентів, а тому сигнали на їх виході ( сигнали на вході ЕП ) зменшуються за амплітудою, що може стати недостатнім для забезпечення лавиноподібних процесів наростання чи спаду. Це повністю виключається, якщо коефіцієнт підсилення ЕП перевищує коефіцієнт пригнічення сигналів схемою ЗЗ. Наприклад, при використанні в якості схеми ЗЗ моста Віна, коефіцієнт передачі якого складає 1/3, виникнення незатухаючих електричних коливань можливе за умови, коли коефіцієнт підсилення ЕП перевищує 3. Цю задачу вирішують шляхом використання підсилювачів на дискретних та інтегральних компонентах, зокрема шляхом використання операційних підсилювачів.

За умов реалізації балансу амплітуд виділяють два типи генераторів:генератори гармонічних коливань та генератори імпульсів складної форми ( релаксаційні генератори).

9.2 Генератори гармонічних коливань

Генератором гармонічних коливань називають електронний пристрій, який перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незату­хаючих синусоїдальних коливань заданої частоти f та потужності. До складу генератора входить активний елемент та час­тотно–вибіркова система (чотириполюсник).

Як активні елементи використовують транзистори, інтегральні під­силювачі (особливо операційні). Гармонічні коли­вання в генераторах підтримуються частотно–вибірковими чотирипо­люсниками: резонансними LС – контурами або іншими резонуючими еле­ментами (кварцами, об'ємними резонатор і т. ін.) або за допомогою фазую­чих RС – кіл, які вмикаються у коло зворотного зв'язку. То­му розрізняють LС – генератори і RС – генератори гармонічних коливань. Підкреслимо: в генераторах гармонічних коливань умови самозбудження створюються лише на одній частоті f.

В залежності від генерованих частот генератори гармонічних ко­ливань поділяють на низькочастотні (0,01...100 кГц), високочастотні (0,1...100 МГц) і надвисокочастотні (> 100 МГц).

9.2.1 LC – автогенератори

У схемі автогенератора з резонансним LС – контуром(рис. 9.1) вико­ристовується індуктивний зв'язок обмотки резонансного контура L_KС_К, що є навантаженням однокаскадного підсилювача за схемою СЕ , з другою обмоткою L_Б,ввімкненою в коло ЗЗ ( в коло збудження підсилювача, в коло бази). Елементи R1, R2, R5та С3призначені для забезпечення режиму за по­стійним струмом і його термостабілізації. Опори R3та R4враховують активні втрати відповідно в колекторній і базовій обмотках. За рахунок конденсатора С1, реактивний опір якого на частоті генерації незначний, заземлюється один кі­нець базової обмотки.

Опір контура па резонансній частоті має чисто активний характер і дорів­нює L_к /R₃С₂ . Тому при виникненні на базі сигналу змінного струму ( флюктуаційних шумів) на виході підсилювача ( на колекторі ) виділяється лише сигнал з частотою, що дорівнює частоті резонан­су. Це забезпечує баланс амплітуд лише на резонансній частоті. Але напруга на колекторі, буде зсунута за фазою на 180⁰, відносно напруги на базі (як для каскаду підсилення за схемою СЕ). Тому безпосередня передача сигналів з виходу на вхід не забезпечить балансу фаз. Ця задача вирішується шляхом зустрічного вмикання колекторної та базової обмоток. В результаті загальний фазовий зсув у замкнутому колі підсилювач – ланка зворотного зв'язку дорівнює нулю, що забезпечує виконання умови балансу фаз. Частота генерації визначається частотою резонанса контура за виразом: f =1/2π

Високі технічні показники мають LС – автогенератори гармонічних коли­вань, в яких використані як підсилювальні ланки операційні підсилювачі. В зв'язку з надлишковістю коефіцієнта підсилення таких підсилювачів є мож­ливість, крім позитивного зворотного зв'язку через частотно–ви6ірковий ре­зонансний контур, вводити досить глибокий негативний зворотний зв'язок, що суттєво підвищує ста6ільність частоти вихідних коливань.

9.2.2 Низькочастотні RС –генератори

Технічні характеристики LС – автогенераторів у діапазоні низьких частот суттєво знижуються, оскільки непомірно з6ільшуються індуктивність і ємність коливального контура. Це призводить до з6і­льшення омічного опору обмотки котушки і струмів витоку конденсатора, зниженню до6ротності коливального контура і ста6ільності частоти автогенератора. Тому в автогенераторах гармонічних коливань низькочастотного діапазону для забезпечення умов самозбудження використовують частотно–ви6іркові кола з елементів R та С.

На відміну від резонансної частоти f₀ коливального LС – контурадля частотно–ви6іркових RС – кілчастоту f₀ , на якій забезпечуються умови самозбудження, називають квазірезонансною частотою. Такі автогенератори називають RС – генераторами. За га6аритними і ваговими характеристиками в області частот від частин герца до десятків кілогерц вони мають значні переваги перед LС–­автогенераторами.

Структурна схема RС – автогенератора аналогічна схемі, показаній на рис.1.8. Для того, щоб із всього можливого спектра частот автогенератор гене­рував лише одну гармонічну складову, частотно-вибіркові RC - кола повинні забезпечити умови самоз6удження генератора на вибраній частоті. Для цього використовують два типи таких схем. Перший тип – RC – схеми, які забезпечують необхідний зсув за фазою (баланс фаз ) тільки на квазірезонансній частоті. Це фазуючі або фазообертальні схеми. Другий тип – це схеми, за допомогою яких відбувається селективне підсилення сигналів, а відтак – баланс амплітуд на заданій частоті, як в LC- генераторах.

Як фазообертальні використовують кола, що складаються з простих Г – подібних RС – ланок (трьох або чотирьох). На рис. 9.2 зображена триланкова схема, так звана R– паралель. Стала часу кожної ланки однакова τ = RC. Використовують різні співвідношення між параметрами елементів (α), але так, щоб стала часу, яка визначає квазірезонансну частоту залишалась незмінною. Якщо α = 1, ємність конденсаторів та опір резисторі відповідно однакові, а квазірезонансна частота визначається за виразом: f₀ =1/2π RC . При цьому R-паралель зменшує амплітуду вихідного сигналу в 29 разів, що обумовлює необхідність забезпечення коефіцієнту підсилення не менша 29 (умова балансу амплітуд). Необхідний коефіцієнт підсилення можливо зменшити до 14,5 та 13, якщо α=2 або 3. При цьому С₂ = С₁ /α; R₂ = αR₁; C₃ = C₁/α²; R₃ =α²R₁.

Принципова електрична схема RC-генератора на польовому транзисторі з фазообертальною ланкою подана на рис.9.3. Польовий транзистор з керувальним р-п переходом дозволяє для забезпечення початкового стану використати елементи автоматичного зміщення R5, С4 (розділ 5.3.). Вхід ланки підключається безпосередньо до виходу підсилювача, який визначається опором резистора в колі стоку (R4). Для виключення впливу ланки на режим підсилювача необхідно забезпечити співвідношення R_вх.лан>> R_{вих.під}., що необхідно враховувати при виборі величини резисторів на етапі розрахунку квазірезонансної частоти. Одночасно слід враховувати наступне. Ми розглядаємо генератори діапазону низьких частот, де опір конденсаторів суттєво зростає, що викликає зменшення коефіцієнту передачі ланки на квазірезонансній частоті. Тому при проектуванні генераторів такого типу необхідне значення слід забезпечувати за рахунок збільшення ємностей конденсаторів при зменшенні опору резисторів. Як варіант вирішення сформованої задачі в розділі 9.6.1 досліджується генератор з фазообертальною ланкою та каскадом узгодження – підсилювачем на біполярному транзисторі за схемою СК (емітерним повторювачем).

Для забезпечення балансу амплітуд підсилювач повинен забезпечувати коефіцієнт підсилення не менше 29. Таку задачу значно простіше реалізувати за допомогою операційних підсилювачів.

Для вивчення та засвоєння процесу перетворення сигналів за допомогою фазообертальної схеми рекомендую провести модулювання та дослідження, сформовані в завдані 9.6.1.

Для побудови другого типу RC-генераторів використовують послідовно-паралельну частотно-вибіркову ланку – міст Віна (рис.9.4). Така схема забезпечує значне загасання електричних сигналів в області низьких та високих частот і лише на квазірезонансній частоті коефіцієнт передачі суттєво зростає (рис.9.5). Така схема є нульовим фазообертачем і не вносить зсув за фазою, що дозволяє баланс фаз досягати шляхом її безпосереднього вмикання в коло позитивного зворотного зв`язку. Квазірезонансна частота визначається за виразом: f₀ = w₀ /2π = 1/2π ; коефіцієнт передачі: K_U = U_вих / U_вх =1/(1+R₁/ R₂+C₁ /C₂ ).

Часто R₁=R₂=R і C₁=C₂=С,томумаємо: f₀ =1/2πRC; K_U =1/3. Тобто, для виконання умови балансу амплітуд достатнім є коефіцієнт передачі підсилювача більше трьох.

Для побудови RC-генераторів такого типу доцільно використовувати операційні підсилювачі.

Принципова електрична схема подана на рис.9.6. Частотно-вибіркова ланка (R1, C1, R2, C2 ) ввімкнена в коло позитивного зворотного зв`язку між виходом ОП та його неінвертувальним входом, тому загальний фазовий зсув за за­мкненою петлею дорівнює нулю, що забезпечує баланс фаз. Коефіцієнт підсилення ОП з великим перевищенням створює умови для виконання балансу амплітуд. Таким чином виконуються умови самозбудження генератора.

На відміну від резонансного LC - контура RC – схема з нульовим фазовим зсувом має суттєво меншу добротність, що може забезпечити баланс амплітуд в деякому діапазоні частот. В результаті на виході формується складний сигнал, який відрізняється від необхідного гармонійного – однієї гармоніки з частотою квазірезонанса. Щоб забезпечити на виході допустимі нелінійні спотворення (виключити вищі гармонійні складові) та сформувати чисто синусоїдальний сигнал, в коло негативного зворотного зв`язку вмикається подільник напруги R3, R4, R5. За допомогою потенціометра результуючий коефіцієнт підсилення ОП регулюється таким чином, щоб баланс амплітуд відбувався лише на вершині АЧХ , на частоті квазірезонанса. Зверніть увагу на таку можливість при дослідженнях, описаних в розділі 9.6.1.

9.2.3Стабілізація частоти коливань в автогенераторах

Частота генерованих коливань визначається не лише параметрами коливального контура або фазуючої RС–ланки, але і параметрами інших активних та пасивних компонентів схеми. Зміни у будь – якому з них, під дією дестабілізую­чих факторів, призводять до зміни частоти ГНК. Основними дестабі­лізуючими факторами є:коливання температури навколишнього середовища, коливання напруги джерела живлення, зміни атмосферного тиску і вологи, ста­ріння елементів у часі, зміни навантаження автогенератора.

Стабільність частоти оцінюють абсолютною нестабільністю Δƒ, що являєсобою різницю між номінальною частотоюі її новим значенням після дії дестабілізуючого фактора, або відносною нестабільністю Δƒ/ƒ. Відносною нестабільністю корис­туються для порівняння генераторів різного призначення або таких, що працю­ють у різних діапазонах частот. Стабільність частоти ГНК тим вища, чим більша добротність вибіркового ланцюжка.

Для збільшення добротності частотно – вибіркових чотириполюсників (ко­ливальних контурів, фазуючих RС–кіл) слід знижувати активні втрати в котуш­ках індуктивності при їх проектуванні, а також забезпечувати великий запас підсилення в підсилювальних ланках автогенераторів. Остання обставина не лише сприяє підвищенню добротності частотно – вибіркових RС–чотириполюсників, але і дозволяє вводити частотно–незалежні кола негативного зворотного зв'язку, які знижують нестабільність частоти і покращують інші показники автогенераторів.

Високу стабільність частоти мають автогенератори з кварцовою стабілізацією. В таких автогенераторах використовують кварцеві резонатори з п'єзоелектричними властивостями.

Якщо до кварцової пластинки підвести змінну напругу, то вона здійс­нюватиме механічні коливання, частота яких залежить лише від розмірів і виду вирізу пластинки. Оскільки розміри пластинки сталі, то і частота коливань стала. Механічні коливання кварцу, в свою чергу, збуджують власні електричні коливання. Коли власна частота кварцу збігається з частотою прикладеної до пластинки напруги, настає явище резонансу. При цьому амплітуда механічних коливань максимальна. Добротність кварцового резонатора Q_квстановить(2...6)·10⁶, чого неможливо досягти в контурі із зосередженими параметрами.

Для зменшення нестабільності частоти, зумовленої зміною параметрів елементів схеми автогенератора під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів, застосовують високостабільні резистори, конденсатори і котушки індуктивності коливальних контурів.

9.3 Автоколивальні мультивібратори

Автоколивальний мультивібратор – це релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми. Термін “автогенератор” означає, що пристрій генерує незатухаючі коливання, які не згасають без будь-якого впливу ззовні і не має стійких станів рівноваги. Релаксаційний характер вихідних коливань вказує на те, що умови самозбудження виконуються в широкому діапазоні частот. У мультивібраторі частота слідування імпульсів прямокутної форми, що періодично повторюються, визначається параметрами кіл, які задають тривалість перемикання, властивостями схеми й режимами її живлення. На частоту автоколивань впливає навантаження. Часто автоколивальний мультивібратор застосовують як генератор імпульсів великої тривалості, які далі використовують для формування імпульсів необхідної тривалості та амплітуди. Таким чином, мультивібратори, що працюють в автоколивальному режимі, застосовують найчастіше як генератори імпульсів синхронізації, що визначають тактову частоту роботи різноманітних пристроїв. У зв’язку з цим до мультивібратора ставляться вимоги високої стабільності частоти, якої можна досягти лише застосуванням спеціальних заходів. Відносна нестабільність частоти під впливом дестабілізуючих факторів становить приблизно кілька відсотків.

Для побудови автоколивальних мультивібраторів як елементну базу використовують вакуумні електронні лампи, біполярні та польові транзистори, а також аналогові та цифрові інтегральні схеми, спеціальні ІМС, необхідні параметри яких встановлюються за допомогою навісних компонентів. Напівпровідникові прилади в мультивібраторах працюють у ключовому режимі.

Мультивібратори на операційних підсилювачах. Для побудови пристроїв з прямокутною формою генерованих коливань використовують компараторний режим ОП (6.6.4.) з позитивним зв’язком. Принципова електрична схема симетричного автоколивального мультивібратора на ОП подана на рис.9.7. Позитивний зворотний зв`язок створюється за допомогою подільника напруги R2 та R3, який вмикається між виходом ОП та неінвертувальним входом. Ланка зворотного зв`язку є частото-незалежною, а тому умови збудження генератора досягаються в широкому діапазоні частот, що і забезпечує формування прямокутних імпульсів майже без спотворень. Конденсатор C1та резистор R1ввімкнені в коло негативного зворотного зв’язку та забезпечують формування наростаючої напруги на інвертувальному вході ОП, що спричиняє процес перемикання схеми з одного тимчасового стійкого стану в інший.

Формування незатухаючих прямокутних імпульсів ілюструють осцилограми, подані на рис.9.8. Розглянемо суть перебігу процесів у мультивібраторі.

Компараторний режим ОП забезпечує на виході тільки два сталих рівня напруг Е_С⁺або Е_С^-. При підключені схеми до джерела живлення завдяки позитивному зворотному зв`язку відбувається лавиноподібний регенеративний процес і з однаковоювірогідністю на виході сформується один із вказаних рівнів напруги. Генератор переводиться в один із сталих станів. Через подільник напруги R2, R3 напруга з виходу ОП передається на неінвертувальний вхід з коефіцієнтом передачі β=R<sub>2</sub> / R<sub>2</sub> +R<sub>3</sub>. Припустимо, що при ввімкнені генератора на виході встановилась напруга U <sup>+</sup><sub>ВИХ С</sub><sup>+</sup> (рис.9.8,в). Тоді на неінвертувальному вході буде діяти теж позитивна напруга U <sup>+</sup><sub>ВХ</sub> = βU <sup>+</sup><sub>ВИХ</sub> (рис.9.8,б). Таким чином встановлюється тимчасовий стан, який зберігався би аж до виключення джерела живлення, у випадку відсутності ланки негативного зворотного зв`язку.

Підключення ланки С1, R1 між виходом ОП та його інвертувальним входом порушує сталий стан та обумовлює автоколивальний процес. Після формування на виході напруги U ⁺_ВИХ починається заряд конденсатора зі сталою часу R₁ C₁. Напруга на інветувальному вході, яка дорівнює напрузі на конденсаторі (U^-_ВХ =U_С), експоненційно збільшується, прагнучи до асимптоматичного рівня _С ⁺. В момент часу t=t₁ (рис.9.8,а) рівень напруги на інвертувальному вході перевищує рівень напруги на неінвертувальному. Режим компаратора та позитивний зв`язок навіть за незначного перевищення обумовлять перемикання ОП. На інветувальному вході діє позитивна напруга, значить на виході стрибкоподібно встановиться рівень Е_С^- , а на неінвертувальному вході U ⁺_ВХ = βU ^–_ВИХ. Операційний підсилювач перемикається в протилежний стан. Цим завершується формування позитивного імпульсу вихідної напруги тривалістю t_i⁺(рис.9.8 в). Тепер конденсатор С₁ розряджається через резистор R₁ та вихід ОП з тією самою сталою часу R₁ C₁, прагнучи до асимтотичного рівня U ^–_ВИХ.. В момент часу t=t₂, коли при перезарядженні напруга на конденсаторі U_С = U ^–_ВХ зрівняється з напругою на неінвертувальному вході U⁺_вх, знову відбувається перемикання ОП. Цим завершується формування негативного імпульсу вихідної напруги тривалістю . При цьому , а шпаруватість імпульсної напруги G =T/t_i =2. У подальшому процеси повторюються із заданою періодичністю. Період коливань імпульсної напруги симетричного мультивібратора за умови рівності високого й низького рівнів напруги ( ): , частота слідування імпульсів: F=1/T =1/2t_i.

Для одержання необхідного періоду генерування прямокутних імпульсів автоколивальним мультивібратором, можна скористатись виразом: t_i=R₁ C ln(1+2R₂/R₃).

При проектуванні радіоелектронної апаратури часто виникає потреба в створені прямокутних імпульсів заданої частоти та три валості, коли шпаруватість імпульсної напруги G ≠2. Таку задачу вирішують за допомогою несиметричних автоколивальних мультивібраторів. Їх створюють на ОП за схемою симетричного мультивібратора, замінивши в ній резистор R1 на коло з двох діодних ключів з резисторами, опір яких відрізняється (R3 ¹ R4), (рис. 9.9,а). При цьому сталі часу t = R ₁C та t¢= R ₂C для позитивних та негативних вихідних імпульсів, які проходять по черзі через резистори R1та R2, можна зробити різними (R1 ¹ R 2), що забезпечує отримання необхідної шпаруватості генерованих імпульсів. Форму вихідних імпульсів для R₂ > R₁показано на рис. 9.9, б.

9.4 Загальмовані мультивібратори

При створені радіоелектронної апаратури частот виникає необхідність формування прямокутних імпульсів необхідної тривалості та амплітуди, поява яких жорстко пов`язана з надходженням зовнішніх синхронізуючих імпульсів. Таку задачу вирішують загальмовані мультивібратори, що працюють в очікуваному режимі. При цьому мультивібратор має один стан стійкої рівноваги. Імпульси прямокутної форми формуються лише після надходження імпульсу запуску, який переводить мультивібратор із стійкого стану рівноваги до тимчасового стійкого стану. Момент закінчення тимчасового стійкого стану визначається колом, що задає час. Таким чином, під впливом імпульсу запуску загальмований мультивібратор виробляє один прямокутний імпульс, після чого повертається до стану стійкої рівноваги. Змінюючи сталу часу (дискретно або плавно) кола, що задає час, можна регулювати тривалість вихідних імпульсів у широких межах. Загальмований мультивібратор ще називають одновібратором, спусковою схемою, однотактним релаксатором, кіп-реле та ін. Однак незалежно від назви загальмований мультивібратор являє собою пристрій з позитивним зворотним зв’язком, що має один стійкий та один тимчасово стійкий стан рівноваги.

Загальмовані мультивібратори на операційних підсилювачах.Схеми таких мультивібраторів створюють зі схем автоколивальних мультивібраторів, шляхом переведення останніх з автоколивального режиму в очікуваний.

Схему загальмованого мультивібратора з увімкненням конденсатора у коло негативного зворотного зв’язку за інвертувальним входом показано на рис.9.10. Її одержано зі схеми автоколивального мультивібратора (див. рис.9.7), в якому паралельно конденсатору С1 ввімкнено додатковий діод D1 та введено коло запуску з елементів C2, R4, D2. Ввімкнення діода D1 якраз і забезпечує режим очікування мультивібратора. Коло диференціювання C2, R4 формує імпульси малої тривалості (рис.9.11, U_ВХ ) для перемикання ОП в тимчасово стійкий стан рівноваги. Через діод VD2 до неінвертувального входу ОП надходять імпульси лише позитивної полярності.

Після ввімкнення джерела живлення за показаної полярності діода D1 на виході ОП формується U ^–_вих»–Е_с. Це стан стійкої рівноваги. Якби за рахунок дії зовнішніх завад при вмиканні на виході сформувався рівень U⁺_вих» +Е_с (на неінвертувальному вході U⁺=bU⁺_вих ), відбулись би процеси заряду конденсатора як і в автоколивальному мультивібраторі. В даному випадку діод зміщується в зворотном напрямі, має великий опір і не впливає на процеси зарядки та перезарядки конденсатора. В результаті коли напруга на ньому ( на інвертувальному вході) перевищить напругу на інвертувальному (U⁺=b′U⁺_вих.) ОП перемикається. На виході формується U ^–_вих» –Е_с. В такому стані напруга на виході може зберігатись до вимикання живлення, тому що за негативної напруги на виході діод вмикається в прямому напрямі, а значить напруга на конденсаторі фіксується на рівні прямого спаду напруги на р-п переході (0.5…0.9 В). Напруга на неінвертувальному вході:

Імпульс запуску з амплітудою U_mзап > |bU ^–_вх|, що надходить до неінвертувального входу ОП, викликає розвиток лавиноподібного процесу перемикання мультивібратора завдяки дії позитивного зворотного зв’язку через резисторний подільник напруги R3, R4. При цьому напруга на виході стрибком збільшується до U⁺_вих»Е_с, і мультивібратор переходить у тимчасово стійкий стан (рис. 9.11, г). Напруга на неінвертувальному вході змінюється на позитивну U⁺=b′U⁺_вих, де b′=R2/(R2+R3) – нове значення коефіцієнта передавання напруги з виходу ОП на неінвертувальний вхід (b≠b′), адже діод VD2 внаслідок зміни полярності вихідної напруги зміщується у зворотному напрямі і від’єднує елементи R4, C1 від подільника напруги R2, R3.

Позитивний рівень вихідної напруги закриває відкритий до цього моменту діод VD1, і конденсатор C починає заряджатися в колі з резистором R1. Напруга на конденсаторі U_c=U ^–_вх експоненційно зростає до асимптотичного рівня U⁺_вих. Коли в момент часу t₂ напруга на інвертувальному вході досягає рівня на неінвертувальному U ^–=U⁺=b′U⁺_вих, ОП входить в підсилювальний режим, напруга на виході зменшується. При цьому в результаті дії зворотного зв’язку зменшується також вхідна напруга U⁺, що викликає подальше зменшення вихідної напруги та інші. Розвиток регенеративного процесу призводить до перевертання мультивібратора (підсилювач спрацьовує як двовходовий компаратор) і закінчення процесу формування імпульсу позитивної полярності. Одновібратор повертається до стійкого стану рівноваги.

Тривалість вихідного імпульсу можна визначити так:

t_i=tln[1/(1-b)]=tln(1+R1/R3).

Якщо в схемі (рис.9.10) змінити полярність вмикання діода VD1 (катод діода під’єднати до корпусу), то вихідна напруга ОП в режимі стійкого стану мультивібратора буде позитивною, а полярність вихідних імпульсів – негативною.

9.5 Формувачі лінійно-змінної напруги

Генератори лінійно–змінної (пилкоподібної) напруги призначені для отримання напруги, яка за деякий час зростає або зменшується за лінійним або близьким до лінійного законом. У радіоелектронних пристроях такі генератори використовують у пристроях порівнян­ня, які фіксують момент досягнення напругою заданого рівня (зокрема в аналого-цифрових перетворювачах0, для часової за­тримки і розширення імпульсів, для отримання часової розгортки в осцилографах, в пристроях сканування і т. д.

Пилкоподібна напруга створюється під час заряджання або розряджання конден­сатора С через резистор R. Найпростіша схема формувача лінійно – наростаючої напруги, в якій транзистор виконує функції ключового елемента подана на рис.9.12.У вихідному стані транзистор закритий (знаходиться в режимі відсічки). Для запобіганню впливу зовнішніх завад, які можуть викликати небажане перемикання ключа, зазвичай, при використанні біполярних транзисторів в коло бази через резистор R1 вмикають додаткове джерело – Е_б. Таким чином забезпечується високий захист від завад. У режимі відсічки транзистор має великий опір, що забезпечує заряд конденсатора С2 через резистор R2 від джерела живлення +Е_С. При цьому U_ВИХ = U_С ~ Е_С . Це стійкий стан.

Для формування пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, на вхід ключа подається синхроімпульс позитивної полярності амплітудою, що забезпечить перемикння ключа в режим насичення. Конденсатор С2 з малою сталою часу (великим струмом відкритого транзистора) розряджається, а напруга на виході зменшується до напруги насичення транзистора U_ВИХ = U_С . Формується зворотний хід тривалістю t_ЗВ. Після закінчення вхідного імпульсу, транзистор перемикається в режим відсічки. Конденсатор заряджається за експоненціальним законом, на виході формується напруга, яка майже лінійно зростає, наближаючись до асимптоматичного рівня Е_С (рис.9.13). Так формується прямий (робочий) хід t_ПР. З надходженням наступних синхроімпульсів процес повторюється.

Основні параметри напруги, що змінюється лінійно: тривалість прямого (робочого) ходу t_пр, тривалість зворотного ходу t_зв період повторення Т, амплітуда імпульсу U_т . Оскільки строго лінійної зміни напруги U(t)отримати неможливо, ступінь відхилення її від лінійного закону характеризується коефіцієнтом нелінійності:

де та

– відповідно швидкість зміни напруги на початку та в кінці робочого ходу.

У практичних схемах формувачів лінійно–змінної напруги t_пр, дорівнює від десятих частин мікросекунди до десятків секунд, t_зв– від 1 до 20 % від t_пр, при U_т – від одиниць до тисяч вольт. Допустимі значення ε залежить від призначення схеми,наприклад, в осцилографії 10%.

В розглянутій схемі вихідна напруга формується в процесі заряду конденсатора, тобто змінюється за експоненціальним законом, а відтак створює значний коефіцієнт нелінійності. Це коли необхідна амплітуда пилки досягається за повний заряд конденсатора. Початкова ділянка експоненти вирізняється суттєво меншим коефіцієнтом нелінійності, а тому для використання цієї ділянки та забезпечення необхідної амплітуди, значно збільшують напругу джерела живлення.

Отже, високий ступінь лінійності пилкоподібної напруги (мале ε) можливий за умови Е_С >> U_т. Це призводить до неефективного використання напрги джерела живлення. Наприклад, коли необхідно забезпечити U_т = 10 В, а ε = 1 %, напруга дже­рела живлення має бути 1000 В.

Напруга на конденсаторі U_С зв'язана зі струмом і_С відомим співвідношенням

У випадку і_С = І = const напруга на конденсаторі U_С = Іt / С = kt змінюється в часі за лінійним законом. Отже, щоб напруга па конденсаторі змі­нювалася не за експоненційним законом, а строго пропорційно часу, заряд­ний струм конденсатора має бути сталим. Для цього можна застосувати струмостабілізуючі елементи, струм яких не залежить від прикладеної напру­ги. Для стабілізації струму заряджання або розряджання конденсатора в формувачах напруги, яка змінюється лінійно, застосовують негативний зворот­ний зв'язок.

Як активні ключові елементи у проектуванні таких генераторів в наш час найбільш широко використовують операційні підсилювачі. Щоб вихідна напруга була пропорційною інтегралові вхідної напруги, в ОП вмикають конденсатор в колі негативного зворотного зв'язку (див. п. 6.8). Тому формувачі пилкоподібної напруги на ОП будують за принципом пристроїв із зворотним зв'яз­ком, що інтегрують сталу напругу джерела живлення при надходженні синхроімпульсів.

На рис.9.14,а показана схема формувача пилкоподібної напруги з інтегруючою RC- ланкою (R3, C1), яка ввімкнена в коло негативного зворотного зв`язку (інтегратор на ОП, розд. 6.6.2). За допомогою подільника напруги R1, R 2 встановлюється постійна позитивна напруга на неінвертувальному вході:

= βЕ_С,

де β = R₂/(R₁+ R₂). При цьому U_вих≈ Е_С (рис.9.14,б ).

Пилкоподібна напруга на виході формується за надходження на вхід синхроімпульсу позитивної полярності, тривалість якого відповідає тривалості прямого ходу. При цьому діод зміщується в зворотному напрямі (має великий опір), що забезпечує подачу постійної напруги джерела живлення +Е_С на інвертувальний вхід ОП, який переводиться в режим інтегратора. Потенціал інвертувального входу плавно підвищується, що забезпечує перехід ОП в активний режим. Конденсатор починає розряджатись через резистор R3 до нуля і перезаряджається до напруги – Е_С, після того як напруга на інвертувальному вході перевищить зафіксовану подільником R1, R2 напругу на неінвертувальному вході. В результаті на виході формується пилкоподібна напруга з незна ною нелінійністю (рис.9.14,б).

Коефіцієнт нелінійності пилкоподібної напруги ε = 1/ К_U визначається підсилювальними властивостями ОП, а напруга протягом робочого ходу лінійно зменшується.

Генератор пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, можна створити, якщо інтегруюче RС–коловвімкнути в коло позитивного зворотного зв'язку (9.6.1).

9.6 Завдання для самоконтролю

9.6.1 Завдання для моделювання та дослідження схем в MS

1. Дослідити LC-генератор:

- Сформувати модель LC-генератора на базі польового транзистора з керувальним р-п переходом (рис.9.15).

- Дослідити вибірний резонансний підсилювач. За допомогою перемикача S1 до затвора транзистора підключити функціональний генератор та зафіксувати на екрані Bode-Plotter АЧХ підсилювача з резонансним контуром в колі стоку. При дослідженні АЧХ функціональний генератор працює в режимі автоматичного формування гармонічного сигналу в широкому діапазоні частот та не вимагає установки параметрів, але його необхідно підключити до входу підсилювача.

Визначити резонансну частоту контура f₀, виставити у віконцях діапазон частот I ≈ f₀ – 50 кГц; F ≈ f₀ + 50 кГцзафіксувати смугу частот на рівнях спаду коефіцієнта передачі на -3 дБл. Визначити добротність контура Q =f₀ /∆f.

- За допомогою перемикача S1 відключити від входу підсилювача функціональний генератор та підключити вторинну обмотку трансформатора, тобто побудувати модель LC- автогенератора.

- Відкрити панель осцилографа, зафіксувати наявність коливань. Проаналізувати осцилограми, що формуються на затворі та стоці. Пояснити умови самозбудження.

- Для виміру частоти коливань доцільно скористатись частотоміром XFC1.

- Визначити індуктивність, за якої встановлюється одержане значення f₀.

- Розрахувати та експериментально дослідити шляхом моделювання величину ємності конденса-тора C2, за якої на виході сформуються несгасаючі гармонічні коливання частотою 300 кГц.

2. Дослідити R-панель:

- Сформувати модель триланкової фазообертальної схеми (рис.9.16). Ємності конденсаторів та опори резисторів визначаються за формулою f₀ =1/2π RC =0.065/RC, враховуючи задану квазірезонансну частоту. Наприклад, для забезпечення f₀ в межах 5…10 Гц можна використати С₁= С₂ = С₃ = 10 мкФ; R₁ =R₂ =R₃= 1 кОм.

- Для вказаних величин ємностей конденсаторів та опорів резисторів одержуєм f₀ = 65 Гц. Вибором відповідних значень компонентів забезпечується задана квазірезонансна частота.

- Відкрити панель Bode Plotter виставити режим формування лагорифмічної фазочастотної характеристики. Для попереднього визначення f₀ межі зміни частоти фіксуються на рівнях F=f₀ + 50 Гц; I = 1 Гц. Зміна фази від -220⁰ до +220⁰. Для більш точного визначення f₀ частотний діапазон звужується (рис.9.17,а).

На виході функціонального генератора сформувати синусоїдальний сигнал амплітудою 10 В та частотою квазірезонанса. Спостерігати осцилограми вхідного та вихідного сигналів на вході та виході. За допомогою візірної лінії зафіксувати амплітуди вхідного та вихідного сигналів і зсув їх за фазою. Визначити коефіцієнт послаблення трифазної фазообертальної панелі. Для цього слід скористатись показниками на екрані оцилографа (рис.9.17,б).

- Повторити експерименти за частоти f₀ + 4 Гц та f₀ – 2 Гц. Визначити та проаналізувати зміни коефіцієнтів передачі та зсуви вхідного та вихідного сигналів за фазою.

3. Дослідити RC-генератор з трьохелементною фазообертальною ланкою та узгоджувальним каскадом (емітерним повторювачем).

- Побудувати модель генератора(рис.9.18). Включити моделювання та дослідити на екрані осцилографа незатухаючі електричні коливання. Визначити їх частоту. Для цього доцільно скористатись вимірювачем частоти XFC1.

- Розрахувати значення ємностей конденсаторів та опорів резисторів для одержання необхідної квазірезонансної частоти (наприклад, 15 Гц).

- Дослідити та пояснити вплив на умови збудження і форму вихідних сигналів положення повзунка потенціометра R6. Зафіксувати умови формування незатухаючих гармонічних коливань з мінімальними нелінійними спотвореннями. Для цього доцільно скористатись вимірювачем нелінійних спотворень XDA1.

4. Дослідити низькочастотний RC - генератор гармонічних коливань на базі нульового фазообертача та операційного підсилювача.

- Сформувати модель RC - генератора (рис.9.19).

- Розрахувати значення ємностей конденсаторів та опорів резисторів для одержані необхідної квазірезонансної частоти. Для визначення частоти коливань доцільно скористатись вимірювачем частоти XFC1 (наприклад, 15 Гц).

- Дослідити вплив на частоту коливань компонентів С1, С2 та R1, R2.

- Дослідити та пояснити вплив глибини негативного зворотного зв`язку (положення движка потенціометра R3) на умови збудження коливань та форму вихідного сигналу. Досягти формування вихідного сигналу з мінімальними нелінійними спотвореннями.

5. Дослідити несиметричний автоколивальний мультивібратор на базі операційного підсилювача.

- Сформувати модель несиметричного мультивібратора (рис.9.20).

- Користуючись формулами, наведеними в розділі 9.3, розрахувати частоту та тривалість імпульсів за різних положень перемикачів J1 та J2. Експериментально дослідити ці параметри в процесі моделювання.

- Повторити дослідження після обопільної зміни опорів резисторів R5 та R6.

- Зафіксувати та пояснити осцилограми сигналів на інвертувальному, неінвертуальному входах та на виході генератора.

6. Дослідити загальмований мультивібратор.

- Сформувати модель формувача імпульсів на базі загальмованого мультивібратора (рис. 9.21).

- Користуючись формулами, наведеними в розділі 9.3, розрахувати тривалість імпульсів на виході за різних положень перемикача J1. Експериментально дослідити ці параметри в процесі моделювання. Для цього перевести функціональний генератор XFG1 в режим формування прямокутних імпульсів частотою 1 кГц, амплітудою 2…3 В, за їх тривалості 5…10 % від періоду імпульсів синхронізації.

- Зафіксувати та пояснити осцилограми сигналів на вході, інвертувальному, неінвертувальному входах операційного підсилювача та на виході формувача (рис. 9.22).

7. Дослідити формувач пилкоподібної напруги.

- Сформувати модель формувача напруги, яка лінійно наростає (рис.9.23).

- В такому присторї тривалість вхідних сигналів співпадає з тривалістю прямого ходу. На виході функціонального генератора необхідно сформувати прямокутні імпульси амплітудою 2…4 В, часто-тою 4…6 кГц, тривалістю 95…98% від тривалості періода.

- Шляхом моделювання одержати та проаналізувати осцилограми імпульсів на вході та виході.

- Дослідити зміни форми вихідних імпульсів при зменшені та збільшені частоти вхідних сигналів за межі окресленого вище частотного діапазону.

- Експериментально дослідити вплив на форму вихідних сигналів опору резистора R3 (500 Ом…3 кОм) та ємності конденсатора С1 (5…22 нФ). Зафіксувати осцилограму за умов: f=12 кГц, R₃=3кОм, С₁=10 нФ, t_I=96. Пояснити одержані результати.

9.6.2 Контрольні запитання

1. Подати узагальнену блок-схему генератора та пояснити призначення основних функціональних вузлів.

2. За яких умов відбувається самозбудження генераторів незатухаючих електричних коливань?

3. Принципи побудови LC-генераторів гармонічних коливань.

4. Яким чином умови самозбудження забезпечуються в низькочастотних генераторах гармонічних коливань?

5. Чому в генераторах гармонічних коливань виникають нелінійні спотворення та як їх зменшити?

6. В чому полягають особливості використання частотозалежних RC – схем фазообертальних та з нульовим фазовим зсувом?

7. За яких умов можливо сформувати незатухаючі електричні коливання прямокутної форми?

8. На базі яких компонентів створюються мультивібратори?

9. Яким чином формують позитивні та негативні імпульси різної тривалості?

10. За допомогою яких компонентів автоколивальний мультивібратор переводиться в загальмований режим?

11. На яких процесах базуються принципи побудови формувачів пилкоподібної напруги?

12. Як вимірюється нелінійність пилкоподібної напруги?

Читайте також:

1. Блок формування імпульсів керування
2. Генератори імпульсів
3. Генерування імпульсів.
4. Закони проведення нервових імпульсів по нервовому волокну.
5. Лічильник імпульсів на JK-тригерах.
6. Лічильники імпульсів
7. Нейрон. Нейроглія. Класифікація нейронів. Синаптичні контакти в центральній нервовій системі. Механізм синаптичної передачі імпульсів.
8. Реверсивний лічильник імпульсів (РЛІ).
9. Розділ 9. Генератори незатухаючих електричних коливань та формувачі імпульсів
10. Суматорний асинхронний лічильник імпульсів.
11. Частота слідування імпульсів

Переглядів: 5360