Формирователи импульсных сигналов.

К формирователям сигналов относятся устройства, позволяющие из произвольных импульсных сигналов создавать сигналы с заданными характеристиками.

К таким устройствам в первую очередь относятся ограничители, которые позволяют из сигналов произвольной амплитуды создавать сигналы с требуемыми электрическими характеристиками. Обычно в качестве активного элемента в ограничителях используют электронные компоненты с нелинейными ВАХ (в большинстве это различные диоды). По схемотехническому решению ограничители подразделяются на последовательные и параллельные. У последовательных ограничителей элемент с нелинейной ВАХ включается последовательно с источником сигнала и нагрузкой. В качестве примера последовательного ограничителя рассмотрим схему на рис.. Источник сигнала имеет на выходе двуполярное напряжение амплитудой 8 В (красная линия). В качестве активного элемента используем диод, а в качестве нагрузки резистор. При положительном полупериоде напряжения сигнала диод смещен в прямом направлении и находится в проводящем состоянии. На диоде падает напряжение около 0,7 В, а на нагрузке выделяется около 7,3В (черная линия). При отрицательной полуволне напряжения сигнала диод смещен в обратном направлении, и все напряжение выделяется на диоде. Соответственно, на нагрузке напряжение будет равно нулю. Все это видно на временной диаграмме рис.119.

Параллельные ограничители имеют схемотехническое решение включающее активный элемент с нелинейной ВАХ параллельно нагрузке. В этом случае напряжение на нагрузке будет определяться параметрами активного элемента. Так если параллельно нагрузке включить стабилитрон, то напряжение на нагрузке будет равно напряжению стабилизации стабилитрона. В предыдущем примере напряжение на нагрузке 7,3 В. Если необходимо чтобы напряжение на нагрузке не превышало 5В, то нужно параллельно нагрузке включить стабилитрон с напряжением стабилизации около 5В. Полученная схема приведена на рис.120.

В качестве последовательного ограничителя используется диод 1N914A, который работает как и в предыдущей схеме, то есть пропускает на на нагрузку только положительную полуволну входного напряжения. При положительной полуволне стабилитрон, включенный параллельно нагрузке и с обратным смещением, будет находиться в состоянии пробоя и будет ограничивать напряжение на нагрузке величиной напряжения стабилизации 5,1В. Резистор величиной 10 оМ, предназначен для ограничения тока пробоя стабилитрона.

Временная диаграмма работы рассматриваемой схемы приведена на рис.121.

 

На рис. 121 показан график изменения входного напряжения (красная линия, масштаб левая ось) и напряжения на нагрузке (черная линия, масштаб правая ось). Входное напряжение двуполярное амплитудой 7В, выходное (напряжение на нагрузке) только положительной полярности, у которого минимальное значение 0В а максимальное ─ 4,7 В (не превышает 5В).

Таким образом, используя в качестве активных элементов ограничителей самые разнообразные нелинейные элементы можно сформировать на нагрузке напряжения с заданными электрическими характеристиками.

Лекция 15

При формировании импульсных сигналов требуется задавать не только электрические характеристики сигнала но и временные характеристики, такие как длительности фронтов, спадов, а также сдвиги во времени выходных сигналов относительно входных. Для решения этих задач используют времязадающие цепи, в качестве которых используют RC – цепи. RC – цепь это электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора – R и конденсатора – С. Если выходное напряжение снимают с конденсатора, то цепь называют интегрирующей, а если с резистора, о цепь называют дифференцирующей.

Рассмотрим работу RC – цепи (рис. 122).

Источник сигнала формирует Ui ─ входное напряжение в виде прямоугольного периодического сигнала амплитудой 10В и периодом 1 мСек. Если обозначим напряжение на резисторе Ur, а напряжение на конденсаторе Uc, то уравнение по второму закону Кирхгофа для этого контура буде иметь вид ─ Ui = Ur + Uc. Так как для этой схемы выходным напряжением будет Uc, то и уравнение нужно составлять для Uc. Если ток протекающий в этом контуре обозначить Ic, то Ur = Ic * R, но из электротехники известно, что Ic = C*(dUc/dt) и следовательно Ur = RC(dUc/dt). Подставив это выражение в уравнение Кирхгофа, и разрешив его относительно старшей производной получим

dUc/dt + (1/RC)Uc = (1/RC)Ui.

Полученное уравнение является линейным, неоднородным дифференциальным уравнением первого порядка. Если примем что время решения уравнения равно длительности положительного полупериода, то можно считать, что Ui это константа величиной 10В. Решение дифференциального уравнения при указанных условиях имеет вид

Uc(t) = Ui(1 – e^-t/τ).

Это решение представляет собой возрастающую экспоненциальную функцию, у которой установившееся значение равно Ui, τ = 1/RC ─ постоянная времени, а t ─ текущее время.

На рис. 123 показано решение уравнения для интегрирующей цепи для обеих полупериодов входной функции (красная линия). Анализируя полученное решение можно сказать, что длительность фронта стала равна 250 мкСек, и соответственно длительность спада ─ 250 мкСек.

Однако, если выходное напряжение снимать с резистора, то мы переходим к дифференцирующей RC – цепи (рис. 124).

Для дифференцирующей цепи уравнение по второму закону Кирхгофа имеет вид Ui = Ur + (1/C)⁰∫_tIdt. В этом выражении явно имеется выходное напряжение как напряжение на резисторе, и разрешая уравнение относительно выходного напряжения получаем

Ur = Ui – (1/C) ⁰∫_tIdt.

Из этого уравнения можно сделать выводы: в момент t = 0 выходное напряжение равно входному; далее с течением времени оно уменьшается на величину напряжения заряда конденсатора. Временная диаграмма работы дифференцирующей RC ─ цепи приведена на рис. 125.

 

 

 

Анализируя временную диаграмму можно сделать вывод, что крутизна фронта сохраняется, а крутизна спада равна почти длительности входного сигнала, на фронте входного сигнала формируется положительный выходной импульс, а на спаде ─ отрицательный выходной импульс.

Таким образом RC – цепи нашли очень широкое применение в самых различных простых и сложных формирующих устройствах (одновибраторы и мультивибраторы).