Формирование прямоугольных импульсов из синусоиды

Этот метод формирования импульсов имеет весьма существенное преимущество, заключающееся в том, что стабильность частоты входного синусоидального напряжения может быть достаточно высокой, и, следовательно, частота сформированной периодической последовательности импульсов будет также строго постоянной. Это преимущество будет реализовано, если в качестве генератора синусоидальных колебаний будет работать кварцевый генератор.

Основной задачей при формировании импульсов из синусоиды является получение импульсов, по возможности близких по форме к прямоугольным, т.е. с наивысшей крутизной фронта и среза.

Пусть на вход двустороннего амплитудного ограничителя подаётся синусоидальное напряжение (рис.2.18). Поскольку ограничитель двусторонний симметричный, то

Е_пв = Е_пн = Е_п.

Напряжение на выходе будет следовать за напряжением на входе до тех пор, пока не достигнет величины Е_{п .} Напряжение на выходе будет определяться как

…………… (2.15).

Если учесть, что длительность фронта τ_ф значительно меньше периода синусоиды Т, т.е. и, следовательно, , то можно функцию синуса заменить его аргументом. В результате получим:

Рис.2.18. Получение прямоугольных импульсов при двустороннем

симметричном ограничении синусоиды

 

Тогда

,

После несложных преобразований получим

…………………. (2.16).

Из этого выражения следует, что формируемое напряжение будет тем ближе к прямоугольной форме, чем больше будет амплитуда синусоиды, чем больше её частота и чем меньше будет порог ограничения Е_п. Однако бесконечно увеличивать амплитуду синусоиды на входе ограничителя нельзя, так как это напряжение ограничено величиной допустимой электрической прочности элементов схемы. Чтобы всё-таки увеличить крутизну фронтов формируемых импульсов, полученное после ограничения напряжение усиливают и вновь ограничивают до тех пор, пока не получат необходимого значения крутизны фронтов.

В зависимости от способа включения диода и нагрузки различают два вида ограничителей:

· диодные ограничители с последовательным включением диода

и нагрузки;

· диодные ограничители с параллельным включением диода и нагрузки.

 

Диодные ограничители с последовательным включением

Диода и нагрузки

Ограничители с нулевым порогом ограничения.

Схема такого ограничителя приведена на рис.2.19, а. Эпюры напряжений показаны на рис.2.19, б.

а)б)

 

Рис.2.19. Последовательный ограничитель с нулевым порогом

ограничения снизу:

а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений.

Из схемы следует, что входное напряжение U_вх распределяется между диодом VD и резистором нагрузки R_н. От соотношения их сопротивлений зависит, какая часть напряжения U_вх выделяется на выходе. Сопротивление диода в прямом направлении R_пр << R_н. Поэтому положительная полуволна напряжения практически полностью выделится на выходе. Сопротивление диода в обратном направлении R_обр>> R_н. Поэтому отрицательная полуволна практически полностью выделяется на диоде, и U_вых≈ 0.

Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение входного напряжения снизу с порогом ограничения, равным нулю.

Ограничение сверху с нулевым порогом ограничения можно получить, изменив полярность включения диода (рис.2.20, а; б).

а) б)

Рис.2.20. Последовательный ограничитель с нулевым порогом

ограничения сверху:

а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений

 

Ограничители с нулевым порогом ограничения применяются для исключения импульсов определённой полярности из последовательности разнополярных импульсов (рис.2.21).

Рис.2.21. Получение импульсов одной полярности из последовательности

разнополярных импульсов

Ограничители с ненулевым порогом ограничения.

Для получения порога ограничения, отличного от нуля, последовательно с нагрузкой включают напряжение смещения Е_см, равное выбранному порогу ограничения.

В схеме, изображенной на рис.2.22, при отсутствии входного сигнала от источника смещения Е_см на катод диода VD подаётся отрицательный потенциал, а анод диода через источник входного сигнала соединяется с положительным полюсом + Е_см. Диод смещается в прямом направлении, т.е. рабочая точка диода сдвигается вправо по ВАХ.

а)

б)

Рис.2.22. Ограничитель снизу с отрицательным порогом ограничения:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений

 

Таким образом, до поступления входного напряжения диод открыт и через резистор R_н протекает ток, создающий на нём напряжение с полярностью, указанной на рисунке. Если пренебречь сопротивлением источника сигнала и по-прежнему считать, что R_н>> R_пр, то основным сопротивлением в цепи будет R_н, поэтому до начала действия U_вх напряжение на нагрузке U_Rн≈ Е_см и U_вых = U_Rн – Е_см≈ 0. Положительная полуволна напряжения U_вх действует согласно с Е_см и почти целиком (т.к. R_н>> R_пр), выделяется на резисторе R_н. Поэтому U_Rн = Е_см + U_вх и U_вых = U_Rн – Е_см = U_вх, т.е. выходное напряжение, начиная нарастать от нуля, повторяет все изменения входного напряжения.

При действии отрицательной полуволны входного напряженияисточника Е_см и U_вх оказываются включёнными встречно, так что результирующее напряжение в цепи будет равно U_вых = Е_см – U_вх, где U_вх – абсолютное значение напряжения. Пока напряжение Е_см – U_вх > 0, диод остаётся смещённым в прямом направлении, он проводит ток и напряжение на выходе равно входному.

В некоторый момент времени напряжение отрицательной полуволны достигает значения, равного –Е_см. Начиная с этого момента, диод запирается, и дальнейшее увеличение U_вх не влияет на выходное напряжение. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение снизу с отрицательным порогом U_огр = – Е_см.

Если в схеме рис.2.22 изменить полярность источника смещения Е_см

и направление включения диода, то получится схема, изображённая на рис.2.23

а) б)

Рис.2.23. Ограничитель сверху с положительным порогом ограничения:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.

 

Как и в предыдущей схеме, здесь до начала действия U_вх напряжение на выходе равно нулю. С началом действия положительной полуволны входного напряжения диод будет проводить ток до того момента, когда величина U_вх, действующего на катоде, станет равной потенциалу анода (т.е. + Е_см), после чего диод запирается. В запертом состоянии диод будет находиться до тех пор, пока уменьшающееся на катоде напряжение U_вх не станет вновь равным потенциалу + Е_см, после чего диод вновь отпирается, и через него и резистор R_н начинает протекать ток. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение сверху с положительным порогом U_огр = + Е_см.

Рассмотрение других сочетаний полярности источника смещения и направления включения диода не сложно.

Комбинируя ограничения сверху и снизу, можно получить двусторонний ограничитель (рис.2.24), который используется для получения трапецеидальных импульсов из синусоидального напряжения. Диод VD₁ пропускает положительную полуволну входного напряжения, но ограничивает отрицательную полуволну на уровне – Е_см, подобно схеме рис.2.22. Диод VD₂ пропускает на выход схемы отрицательную полуволну, но ограничивает положительную полуволну на уровне + Е_см, подобно схеме рис.2.23.

а) б)

Рис.2.24. Двусторонний симметричный ограничитель:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.

 

Необходимо иметь в виду, что временн ы е диаграммы, изображённые на рис.2.22 …2.24, соответствуют идеальному диоду, у которого R_пр = 0

и R_обр = ∞.

Достоинства схем с последовательным включением диода и нагрузки:

· простота схемы;

· чёткое (чистое) ограничение, т.к. диод в запертом состоянии отключает нагрузку от входной цепи.

Недостатком схем с последовательным включением диода и нагрузки следует считать то, что при большой крутизне фронта входного напряжения

(т.е. при работе с высокочастотными составляющими спектра) начинает сказываться паразитная ёмкость схемы, которая вместе с сопротивлением нагрузки создаёт дифференцирующую цепь, искажающую форму выходного напряжения.