Формирование прямоугольных импульсов длинной линией


Формирователи импульсов

Формирователь коротких импульсов с применением линий задержки.Формирователь коротких импульсов формирует импульсы, длительность которых существенно меньше длительности исходных импульсов. Для построения схемы формирователя потребуются один элемент конъюнкции, один инвертор и линия задержки. Длительность выходного импульса формирователя определяется длительностью времени задержки линии задержки Dtз и средним временем распространения сигнала через инвертор tз срЭ1. На рис. 4.1. приведена схема формирователя, а на рис.4.2 (а) и (б) — временные диаграммы, иллюстрирующие её работу. Из рис 4.2 (а) следует, что для формирования импульса от переднего фронта (исходного импульса) необходимо подавать на линию задержки инвертированный импульс.

В случае формирования импульса от заднего фронта нужно инвертировать незадержанный (прямой) сигнал, т.е. сигнал, подаваемый на элемент “И” минуя линию задержки (рис. 4.2, б).

Использование в формирователях линий задержки не всегда оправдано экономически и из конструктивных соображений. Если не требуется формирование строго определенной длительности коротких импульсов, в формирователях в качестве линии задержки применяются логические элементы (рис. 4.3). Так как каждый логический элемент обладает свойством задерживать распространение сигнала, поэтому время задержки в такой схеме будет определяться числом используемых элементов логики n

где tз срЭ — среднее время задержки одного логического элемента. Считается, что инвертор имеет значительно меньшее время задержки сигнала, и в качестве элементов задержки используются логические элементы с малым быстродействием.

Формирователь импульсов на элементах логики с использованием RC цепи. RC цепи широко применяются в импульсной технике для формирования сигналов различной формы. RC -цепь — это цепь состоящая из сопротивления R и конденсатора С. Постоянная времени этой цепи определяется как t = RC. В зависимости от сочетания соединений RС цепь может выполнять функцию как укорачивающей, так и удлиняющей цепей. Формирователь импульса с удлиняющей RC цепью и его временные диаграммы приведены на рис. 4.4, а и б, соответственно.

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения Uпор, напряжение U2 воспринимается элементом Э2 как уровень логической “1” и на его выходе поддерживается “0”. С течением времени tи напряжение на конденсаторе С становится равным Uпор и на выходе элемента Э2 появится “1”. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению уровня “1”, т.е. U 1 , то изменение напряжения Uс с течением времени можно представить как

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения Uпор

Для ускоренного восстановления заряда конденсатора в схему может быть включен дополнительный диод D1 (рис. 4.4, а). Из-за большого обратного сопротивления диода его влияние в процесс разряда конденсатора можно не учитывать, т.е. разряд конденсатора будет осуществляться только через сопротивление R.

В тех случаях, когда требуется получить импульсы большой длительности и в схеме используется конденсатор большой емкости, последовательно с диодом включают дополнительное сопротивлени Rдоб, ограничивающее ток заряда конденсатора. Величину сопротивления R выбирают исходя из следующих условий:

во-первых, величина сопротивления R не должна превышать максимально допустимого значения, при котором на этом сопротивлении за счет обратного входного тока элемента логики может создаться напряжение, сравнимое с напряжением Uпор (для элементов ТТЛ структуры максимальное значение Rмак = 2,2 кОм);

во-вторых, минимальное значение сопротивления ограничено допустимой нагрузочной способностью логического элемента Э1 и определяется как

где U 1 — напряжение на выходе элемента Э1 в состоянии логической “1”; n — коэффициент разветвления (нагрузочная способность) выхода логического элемента; Iвх — входной ток одного элемента.

Номинал добавочного сопротивления имеет ограничение “снизу”, и определяется из условия

где Uпр D1 — прямое падение напряжения на диоде D1; I 1 доп — допустимый выходной ток элемента Э1 в состоянии логической “1”.

Схема формирователя коротких импульсов с помощью укорачивающей (дифференцирующей) RC цепи показана на рис. 4.5. Длительность выходного импульса формирователя может быть определена из соотношения

где Rвых — выходное сопротивление первого элемента формирователя.

Триггер Шмитта.Триггер Шмитта применяется для формирования входного сигнала произвольной формы в сигналы, принимающие два стандартных уровня ”0” и “1”. Варианты схем таких формирователей показаны на рис. 4.6.

На рис. 4.6, а показана схема триггера Шмитта, в которой применены два инвертора, входящие в серию логических транзисторно-транзисторных интегральных схем. Положительная обратная связь между инверторами обеспечивается за счет резистора R1, включенного в общую цепь питания элементов. Для увеличения влияния цепи обратной связи, ток через второй инвертор увеличен путем включения дополнительного резистора R2 между выходом Э2 и источником питания. Подобный формирователь на интегральных схемах серии К1533 удовлетворительно работает до частоты несколько мегагерц при подаче на вход синусоидального напряжения амплитудой 0,5 — 0,8 В.

В триггерах Шмитта положительную обратную связь можно ввести также путем включения резистора между выходом второго инвертора и входом первого (рис. 4.6, б). Входное напряжение в этом формирователе подается через дополнительный резистор R1, сопротивление которого также влияет на глубину положительной обратной связи. Увеличение сопротивления этого резистора увеличивает коэффициент положительной обратной связи и уменьшает чувствительность формирователя к входному напряжению.

На практике, в качестве формирователей импульсов, часто применяют специальные интегральные схемы формирователей (рис. 4.6, в). Обозначение функционального назначения таких интегральных схем содержит две буквы “ТЛ”. Например, в серии К155: это интегральные микросхемы (ИМС) К155ТЛ1, К155ТЛ2, К155ТЛ3.

Формирователь импульсов от механических контактов. При проектировании цифровых устройств часто возникает задача четкого формирования импульсов от механических контактов (при срабатывании реле, кнопок, переключателей и т.д.), так как непосредственная подача этих сигналов на входы цифровых устройств недопустима из-за “дребезга” контактов. Дребезг контактов — это явление многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в моменты их соприкосновения и расхождения. Это явление приводит к формированию пачки импульсов (вместо требуемого одиночного импульса или перепада напряжения), могущих вызвать многократное непредсказуемое срабатывание триггеров и счетчиков схемы цифрового устройства.

Существует множество вариантов построения цепей подавления импульсов дребезга контактов с помощью статического триггера, дифференцирующей и интегрирующей цепей, а также узла, обладающего свойствами интегрирующей цепи и триггера Шмитта. На рис. 4.7 приведены примеры схем подавления “дребезга” контактов.

Наиболее надежной и простой в схемном решении является схема подавления дребезга на статическом RC — триггере (рис. 4.7, а). Сигнал “0”, подаваемый с помощью переключателя к одному из входов этого триггера опрокидывает его. Причем при каждом срабатывании переключателя (кнопки) триггер реагирует на первое же замыкание соответствующей контактной пары и последующие замыкания уже не изменяют его состояние.

Недостатком такой схемы подавления дребезга является необходимость использования контактов на переключение, что не всегда приемлемо. В тех случаях, когда кнопка (переключатель) имеет всего одну пару контактов только на замыкание, применяются схемы, использующие постоянную времени перезаряда конденсатора.

Формирователь, показанный на рис. 4.7, б лишен этого недостатка. Он состоит из триггера Шмитта, на входе которого включена интегрирующая цепь (R2, C). При замыкании контактов кнопки SB напряжение на входе цепи R2 C падает до нуля. Возникающее в процессе переключения кратковременные импульсы, вызванные “дребезгом”, сглаживаются интегрирующей цепью. Постоянная времени интегрирующей цепи выбирается так, чтобы амплитуда пульсаций сигнала на её выходе была меньше порога чувствительности триггера Шмитта.

Рассматриваемый формирователь может работать и без сопротивления R2 (его включают в качестве токоограничивающего сопротивления через замкнутые контакты кнопки). Благодаря малому сопротивлению замкнутых механических контактов первое же их замыкание приводит к полному разряду конденсатора. Последующие же размыкания контактов, вызванные дребезгом, практически не увеличивают напряжение на конденсаторе вследствие относительно большой постоянной времени его заряда.

Формирователь импульсов на одном инверторе (рис. 4. 7, в) позволяет получить относительно большую постоянную времени перезаряда конденсатора при малой его емкости. При замыкании контактов кнопки конденсатор С быстро разряжается через R2. В отличие от рассмотренных выше формирователей, здесь на выходе вырабатывается импульс, длительность которого определяется постоянной времени RC цепи.

Для формирования импульсов от механических контактов можно использовать также одновибратор, схема которого будет рассмотрена ниже.

2. Формирователи прямоугольных импульсов

2.1 Диодные ограничители последовательного и параллельного типа.

2.2 Линейные модели транзистора в режиме большого сигнала.

2.3 Расчет транзисторных ключей.

2.4 Транзисторный усилитель ограничитель.

2.5 Динамические характеристики транзисторных ключей.

2.1 Диодные ограничители последовательного и параллельного типа.

Формирование прямоугольных импульсов можно получить с помощью генератора синусоидальных колебаний и ограничителя (см. рис.2.1).

Различают ограничители сверху,снизуидвухсторонниеограничители. Амплитудные характеристики ограничителей и осциллограммы, иллюстрирующие их работу приведены на рис.2.2, 2.3 и 2.4.

Рис. 2.2 Ограничитель сверху

Рис. 2.3 Ограничитель снизу

Рис. 2.4 Двустороннийограничитель

Последовательные диодные ограничители.

Принципиальная схема последовательного ограничителя снизу на нулевом уровне приведена на рис.2.5 вместе с осциллограммой, иллюстрирующей её работу. Сопротивление нагрузки должно быть намного больше сопротивления ограничителя ( ), а внутреннее сопротивление источника синусоидального сигнала . Для обеспечения протекания тока на интервале от 0 до , где — напряжение на диоде включённом в проводящем направлении, величина которого порядка 0,5В.

Рис. 2.5 Последовательный диодный ограничитель

Схема ограничителя сверхуна нулевом уровне и осциллограммы её работы имеют вид, приведенный на рис.2.6. Для обеспечения нормальной работы схемы необходимо выполнение тех же условий: , , .

Рис. 2.6 Ограничитель сверхуна нулевом уровне

Для того чтобы схемы ограничителей были универсальными, они должны обеспечивать ограничения на произвольном уровне.

Схема ограничителя сверху на произвольном уровне приведена на рис.2.7.

Полярность источника Э.Д.С. выбирают так, чтобы диодVDбыл открыт при . Поскольку и немного меньше величины резистораR, можно сделать допущения, что ; .

Рис. 2.7 Ограничитель произвольного уровня

может изменяться в пределах

При выполнении условия диодVDоткрыт и можно сделать допущение .

Если , тоVD-закрыт: ток в контуре (и через резисторR) равен нулю, следовательно (интервал времени ). На интервале от 0 до , когда , то и . Схема ограничителяснизуна произвольном уровне приведена на рис.2.8

Рис. 2.8 Ограничитель снизуна произвольном уровне

Работа схемы, осциллограмма и допущения аналогичны рассмотренным выше.

Схема ограничителя уровня сверхуиснизуна произвольных уровнях представляют собой комбинацию двух рассмотренных схем включённых последовательно, см.рис.2.9. Ограничения, работа и осциллограммы аналогичны.

Рис. 2.9 Ограничитель сверхуиснизуна произвольных уровнях

К недостаткам последовательных диодных ограничителей относят:

Ограничители требуют идеальных источников Э.Д.С. входного сигнала ( );

Генераторы и формирователи импульсов

На базе логических элементов цифровых устройств могут быть сконструированы разнообразные генераторы импульсов. Вот несколько конкретных примеров.

Генератор по схеме на рисунке 1 (используются элементы 2И-НЕ с открытым коллектором) вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот — от единиц герц до нескольких килогерц. Зависимость частоты f (кГц) от емкости конденсатора С1 (пФ) выражается приближенной формулой f»3*105/C1. Скважность импульсного напряжения практически равна 2. При снижении напряжения источника питания на 0,5 В частота генерируемых импульсов уменьшается на 20%.

В генераторе по схеме на рисунке 2 длительность импульсов можно регулировать переменным резистором R2 (скважность изменяется от 1,5 до 3), а частоту — резистором R1. Например, в генераторе с С1==0,1 мкф при исключении резистора R2 только резистором R1 частоту генерируемых импульсов можно изменять от 8 до 125 кГц. Для получения другого диапазона частот необходимо изменить емкость конденсатора С1.

Широкое изменение частоты генерируемых импульсов (около 50 тысяч раз) обеспечивает устройство, собранное по схеме на рисунке 3. Минимальная частота импульсов здесь около 25 Гц. Длительность импульсов регулируют резистором R1. Частоту следования можно определить по формуле:
f=1/(2R1C1)
f — частота Гц, R1 — сопротивление Ом, С1 — ёмкость фарад.

При реализации цифровых устройств различного назначения часто необходимо сформировать короткие импульсы по фронтам входного сигнала. В частности, такие импульсы используют для сброса счетчиков в качестве импульсов синхронизации при записи информации в регистры и т. д. На рисунке 4 изображены схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному перепаду напряжения на его входе. При изменении напряжения Uвх от низкого уровня до высокого этот перепад без задержки поступает на вход 13 элемента DD1.4. В то же время на входе 12 элемента DD1.4 напряжение высокого уровня сохраняется, в течение времени распространения сигнала через элементы DD1.1-DD1.3 (около 75 нc). В результате в течение этого времени на выходе устройства сохраняется напряжение низкого уровня. Затем на входе 12 устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе устройства — высокого. Таким образом, формируется короткий отрицательный импульс, фронт которого совпадает с фронтом входного напряжения. Чтобы такое устройство использовать для формирования отрицательного импульса по срезу входного сигнала, его надо дополнить еще одним инвертором рисунок 4.

На рисунке 5 изображены схема и временная диаграмма работы формирователя импульсов по фронту и срезу входного сигнала. Длительность каждого сформированного импульса равна
tи1=tи2=nt1,0зд.р.+(n+1)t0,1зд.р.
Здесь n — четное число элементов, участвующих в задержке сигналов. Принцип работы этого формирователя аналогичен принципу работы описанных ранее формирователей коротких импульсов.

Широкое распространение получил формирователь коротких импульсов, схема и временная диаграмма работы которого изображены на рисунке 6. При напряжении низкого уровня на входе устройства конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2. При этом напряжение на выходе устройства имеет низкий уровень. При появлении на входе формирователя напряжения высокого уровня конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R2. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе не уменьшится до низкого уровня, на обоих входах элемента DD1.2, а следовательно, и на выходе формирователя присутствуют напряжения высоких уровней. Как только напряжение на конденсоре станет меньше 0,4 В, уровень на выходе формирователя изменяется рисунок 6,б. Длительность импульса пропорциональна постоянной времени разрядки конденсатора и равна tи=3R2*С1.

Формирователи импульсов имеются и в составе микросхем серии К155. Так, микросхема К155АГ1 представляет собой одновибратор с тремя входами, прямым и инверсным, выходами и выводами для подключения внешних времязадающих цепей рисунок 7. Одновибратор может запускаться как положительным, так и отрицательным перепадами входных сигналов при определенном напряжении, не зависящем от длительности входных импульсов. Переключается одновибратор отрицательным перепадом входного сигнала, поданного на один из входов А, в то время как на вход В подано напряжение высокого уровня, или положительным перепадом, поданным, на вход В, если на одном из входов А или А1 присутствует напряжение низкого уровня.

При максимальном сопротивлении резистора Rвн=40 кОм длительность выходного импульса не должна превышать 0,9Т, где Т — период следования входных импульсов. Длительность выходного импульса зависит от сопротивления Rвн=(0-40) кОм и С=(0-1000) мкф и определяется формулой:
tи=RС1n2. Здесь R=2к+Rвн, 2к — сопротивление внутреннего резистора.

В состав серии К155 входит также микросхема К155АГЗ. В одном корпусе в ней содержатся два одновибратора. Варианты подключения внешних времязадающих элементов и временная диаграмма работы одновибратора изображены на рисунке 8. Одновибратор также запускается либо отрицательным (перепадом входного сигнала на входе А при высоком уровне на входах B и R, либо положительны перепадом положительным перепадом напряжения на входе В при низком уровне на входе А и высоком уровне на входе R. Длительность импульса tи1 определяется постоянной времени времязадающей цепи, но может быть уменьшена за счёт подачи на вход R напряжения низкого уровня при tи2

Электрические и временные параметры прямоугольных импульсов

Периодические и непериодические сигналы, форма которых отличается от синусоидальной, обычно называют импульсными сигналами . Процессы генерации, преобразования, а также вопросы практического применения импульсных сигналов относятся сегодня ко многим областям электроники.

Так, например, ни один современный блок питания не обходится без расположенного на его печатной плате генератора прямоугольных импульсов, такого например как на микросхеме TL494, выдающей импульсные последовательности с параметрами, подходящими для текущей нагрузки.

Поскольку импульсные сигналы могут иметь различную форму, то и называют различные импульсы в соответствии с похожей по форме геометрической фигурой: прямоугольные импульсы, трапецеидальные импульсы, треугольные импульсы, пилообразные импульсы, ступенчатые, и импульсы разных других форм. Между тем, наиболее часто практически применяются именно прямоугольные импульсы . О их параметрах и пойдет речь в данной статье.

Конечно, термин «прямоугольный импульс» несколько условен. В силу того что ничего идеального в природе не бывает, как не бывает и идеально прямоугольных импульсов. На самом деле реальный импульс, который принято называть прямоугольным, может иметь и колебательные выбросы (на рисунке показаны как b1 и b2), обусловленные вполне реальными емкостными и индуктивными факторами.

Выбросы эти могут, конечно, отсутствовать, однако существуют электрические и временные параметры импульсов, отражающие в числе прочего «неидеальность их прямоугольности».

Прямоугольный импульс имеет определенную полярность и рабочий уровень. Чаще всего полярность импульса положительна, поскольку подавляющее большинство цифровых микросхем питаются положительным, относительно общего провода, напряжением, и следовательно мгновенное значение напряжения в импульсе всегда больше нуля.

Но есть, например, компараторы, питаемые двухполярным напряжением, в таких схемах можно встретить разнополярные импульсы. Вообще микросхемы, питаемые напряжением отрицательной полярности, не так широко применяются, как микросхемы с обычным положительным питанием.

В последовательности импульсов рабочее напряжение импульса может принимать низкий или высокий уровень, причем один уровень с течением времени сменяет другой. Уровень низкого напряжения обозначают U0, уровень высокого U1. Наибольшее мгновенное значение напряжения в импульсе Ua или Um, относительно начального уровня, называется амплитудой импульса .

Разработчики импульсных устройств зачастую оперируют активными импульсами высокого уровня, такими как показанный на рисунке слева. Но иногда практически целесообразно применить в качестве активных импульсы низкого уровня, для которых исходное состояние — высокий уровень напряжения. Импульс низкого уровня показан на рисунке справа. Называть импульс низкого уровня «отрицательным импульсом» — безграмотно.

Перепад напряжения в прямоугольном импульсе называют фронтом, который представляет собой быстрое (соизмеримое по времени со временем протекания переходного процесса в цепи) изменение электрического состояния.

Перепад с низкого уровня к высокому уровню, то есть положительный перепад, называют передним фронтом или просто фронтом импульса. Перепад от высокого уровня к низкому, или отрицательный перепад, называют срезом, спадом или просто задним фронтом импульса.

Передний фронт обозначают в тексте 0.1 или схематически _|, а задний фронт 1.0 или схематически |_.

В зависимости от инерционных характеристик активных элементов, переходный процесс (перепад) в реальном устройстве всегда занимает некоторое конечное время. Поэтому полная длительность импульса включает в себя не только времена существования высокого и низкого уровней, но также времена длительности фронтов (фронта и среза), которые обозначаются Тф и Тср. Практически в любой конкретной схеме время фронта и спада можно увидеть при помощи осциллографа.

Так как в реальности моменты начала и окончания переходных процессов в перепадах очень точно выделить непросто, то принято считать за длительность перепада промежуток времени, во время которого напряжение изменяется от 0,1Ua до 0,9Ua (фронт) или от 0,9Ua до 0,1Ua (срез). Так и крутизна фронта Кф и крутизна среза Кс.р. задаются в соответствии с данными граничными состояниями, и измеряются в вольтах в микросекунду (в/мкс). Непосредственно длительностью импульса называют промежуток времени, отсчитываемый от уровня 0,5Ua.

Когда рассматривают в общем процессы формирования и генерации импульсов, то фронт и срез принимают по длительности за ноль, поскольку для грубых расчетов эти малые временные промежутки оказываются не критичны.

Импульсная последовательность — это импульсы, следующие друг за другом в определенном порядке. Если паузы между импульсами и длительности импульсов в последовательности равны между собой, то это периодическая последовательность. Период следования импульсов Т — это сумма длительности импульса и паузы между импульсами в последовательности. Частота f следования импульсов — это величина обратная периоду.

Периодические последовательности прямоугольных импульсов, кроме периода Т и частоты f, характеризуются еще парой дополнительных параметров: коэффициентом заполнения DC и скважностью Q. Коэффициент заполнения — это отношение времени длительности импульса к его периоду.


Скважность — это отношение периода импульса ко времени его длительности. Периодическая последовательность скважности Q=2, то есть такая, у которой время длительности импульса равно времени паузы между импульсами или у которой коэффициент заполнения равен DC=0,5, называется меандром.

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ПОМОЩЬЮ ДЛИННЫХ ЛИНИЙ

    Анфиса Вязмитинова 1 лет назад Просмотров:

1 Общие сведения ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ПОМОЩЬЮ ДЛИННЫХ ЛИНИЙ В основе использования длинных линий в импульсной технике наносекундного диапазона лежат три основных свойства: наличие временной задержки; сопротивление отрезка линии является чисто омическим; явление отражения и преломления импульсов (волновые процессы). Однако, при этом необходимо, чтобы линии обладали малыми потерями, а неоднородности в них не оказывали существенного влияния на передачу сигналов. Поэтому для формирования наносекундных импульсов предпочтение отдают высокочастотным линиям с распределенными параметрами (коаксиальным кабелям и полосковым линиям), которые позволяют получать наносекундных импульсов с шириной спектра вплоть до гигагерц Волновые процессы в линиях с распределенными параметрами описываются «телеграфными» уравнениями, связывающими напряжение и ток в линии. В местах соединения линий с коммутаторами, нагрузкой и т.д., когда нарушается однородность линий, могут возникать отражения волн. Можно рассчитать напряжение и ток в произвольных точках любого генератора, используя понятия коэффициентов отражения и преломления волн, а также законы Кирхгофа и правило Петерсена. Важный параметр линии время задержки передаваемого сигнала t З, определяемое временем распространения электромагнитной волны на единицу длины. В однородном кабеле время задержки можно рассчитать по формуле t з L0C0, где С 0 и L 0 емкость и индуктивность кабеля на единицу длины. Учитывая, что время распространения волны на единицу длины обратно пропорционально фазовой скорости электромагнитной волны v c /, можно установить следующую связь между временем задержки, волновым сопротивлением и параметрами линии: tз L0 L0 с t з / c Z ; Z, С0 C0 с tз где диэлектрическая проницаемость среды; магнитная проницаемость; с= м/с скорость света. Для радиочастотного кабеля = 1, а диэлектрическая проницаемость изоляции между внутренними и внешними проводниками кабеля. Для полиэтиленовой изоляции t З =5 нс/м. Длительность прямоугольного импульса, формируемого на нагрузке, определяется временем двукратного прохождения тока вдоль кабеля длинной l, и ее можно рассчитывать по формуле 2l / v 2l / с. t и 1

2 В практических схемах не всегда можно обеспечить строгое выполнение условия согласования R Н = Z 0. Отклонение от этого условия влияет на процесс формирования импульса и приводит к искажению его формы. Условие согласования нарушается из-за комплексного характера волнового сопротивления разрядной линии, изменения сопротивления коммутирующего устройства в течение времени разряда линии, а также из-за действия паразитных емкостей. Наряду с рассогласованием, которое является причиной образования ложных импульсов, паразитные емкости приводят также к искажениям фронта и среза формируемых импульсов даже при R Н = Z 0. Генератор с одиночной формирующей линией (ОФЛ) Схема такого генератора показана на рисунке 1. Линия заряжается от источника постоянного напряжения через сопротивление R>>Z 0 до значения U 0. При замыкании коммутатора К на сопротивлении R Н = Z 0 появляется единичный прямоугольный импульс длительностью t и =2l/v. Амплитуды тока и напряжения на нагрузке равны: U н =U 0 /2; I н =U 0 /2Z 0 Рисунок 1. Схема генератора с одиночной накопительной (формирующей) линией. Если сопротивление нагрузки не согласовано с волновым сопротивлением лилии (R 0 Z 0 ), то на нагрузке появляется импульс ступенчатой формы с длительностью ступенек t и (рисунок 2) Рисунок 2. Импульс напряжения на нагрузке. а) R 0 Z 0. Формула для напряжения ступени номер k в общем случае 2

3 U k U R R Z н н 0 ) k 1 ( 0 Z0 Z0, k=1,2,3 Главный недостаток схемы состоит в том, что амплитуда импульса напряжения на напряжения на нагрузке составляет только половину зарядного напряжения накопительной линии. Генератор с двойной формирующей линией (ДФЛ) Для получения амплитуды импульса равной величине зарядного напряжения U 0, используется принцип последовательного включения формирующих линией, предложенный Блюмляйном, которой основан на изменение полярности формирующей линии при коротком замыкании (рисунок 3). Две одинаковые линии с волновым сопротивлением Z 0 и длиной l, заряжаются до напряжения U 0. После замыкания ключа К, через время l/v на сопротивлении R н =Z 0 образуется импульс напряжения с амплитудой U н =U 0 и длительностью t и 2l / v. При этом вся энергия, запасенная в линиях, за время импульса передается на нагрузку. Рисунок 3. Схема генератора с двойной накопительной линией (линия Блюмляйна). а) схема включения формирующих линий; б)-е) эпюры напряжений и токов; ж) схема замещения Если сопротивление нагрузки не согласовано с волновым сопротивлением лилии (R 0 2Z 0 ), то в нагрузке возникает серия отраженных импульсов. Каждый следующий импульс появляется через интервал 2l/v после конца предыдущего. Амплитуда и полярность этих импульсов определяется из соотношения: 3

4 U k U 2 2Z0 k 1 0 ( ) 2Z0 2Z0, k=1,2,3 Трансформатор Льюиса Для получения импульсов напряжения с амплитудой до нескольких сот киловольт и длительностью в десятки наносекунд и менее применятся импульсный трансформатор (трансформатор Льюиса). Оно состоит из n отрезков линий, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно (рисунок 4); обычно в таких трансформаторах используются отрезки коаксиальных линий. Импульс напряжения, поданный на вход трансформатора, через время t=l/v (где l длина линий, v скорость распространения волны), достигает входа трансформатора. Если на выходе включена нагрузка R н =nz 0, то амплитуда выходного напряжения при отсутствии искажения увеличится в n раз по сравнению с входным: U 2U 0n nz0 Чтобы уменьшить частотные искажения трансформируемого импульса и повысить коэффициент трансформации вплоть до идеального m=n, вход трансформатора должен отделяться от его выхода большими по величине развязывающими импедансами. Для этого линии трансформатора сворачивают в катушки с большой индуктивностью и малой входной емкостью. Для повышения коэффициента трансформации необходимо также уменьшать емкостные и индуктивные связи между катушками, поэтому они выполняются с неравномерным шагом намотки и по возможности размещаются далеко друг от друга. Для увеличения индуктивности также можно использовать сердечники из магнитных материалов. Рисунок 4. Импульсный трансформатор с использованием отрезков коаксиальных кабелей. Достоинством таких трансформаторов является равномерное распределение напряжения по линиям на выходе схемы и малая величина паразитных параметров (по сравнению с импульсными трансформаторами на магнитных сердечниках) 4

Каждый электрик должен знать:  Условия работы программируемых логических контроллеров

5 Описание установки Лабораторная установка расположена в кожухе, выполненном из изолирующего материала, и включает следующие элементы: (рисунок 5). 1. Шесть равных отрезков кабеля РК , на концах которых собраны разъемы с изоляцией 10 кв (L 1 L 6 ). Для увеличения развязывающей индуктивности все кабели намотаны на бруски см и представляют однослойные соленоиды, разделенные экранами. 2. Тригатрон К 1. На управляющий электрод подается импульс запуска от задающего генератора. 3. Двухэлектродный разрядник К с разъемами для присоединения высоковольтных концов кабелей или нагрузки. Напряжение пробоя изменяется перемещением электродов. Возможно управление разрядника при помощи механического замыкания электродов при нажатии кнопки включения «К». 4. Узел соединения последовательного включения трех отрезков кабеля для трансформатора Льюиса, заполненный трансформаторным маслом, с изоляцией на 30 кв. 5. Разъем для подсоединения кабелей к источнику напряжения. 6. Нагрузки 10, 75, 150 и 225 Ом (резисторы ТВО). 7. Высоковольтный источник выпрямленного тока. Порядок выполнения работы Рисунок 5. Внешний вид установки 1. Собрать схему кабельного генератора (ОФЛ), используя один из кабелей L 1 L 3, разъем, коммутатор К и нагрузку R н. 5

6 2. Подсоединить делитель напряжения и осциллограф. 3. Установить межэлектродный зазор S. 4. Включить высокое напряжение и установить его амплитуду, соответствующую срабатыванию разрядника К с частотой 0,5 1 имп/сек (или запустить принудительно). 5. Зарегистрировать импульс на осциллографе и отключить высокое напряжение. 6. Установить другую величину R н и выполнит пункты 4 и Собрать схему генератора с двойной формирующей линией, используя 2 кабеля L 1 L 3, нагрузку, разъем и тригатрон. 8. Включить высокое напряжение, запустить тригатрон и зарегистрировать импульс напряжения. 9. Собрать схему трансформатора Льюиса на трех кабельных линиях L 4 L 6 и коммутатора К. Подсоединить к осциллографу регистрирующий кабель с R н и R ш трансформатора Льюиса. Измерить R н и R ш мультиметром. 10. Включить высокое напряжение, установить его амплитуду, соответствующую срабатыванию разрядника К и зарегистрировать импульс напряжения. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Схемы замещения каждого эксперимента (рисовать самостоятельно). 3. Осциллограммы напряжения с обозначение величин (U, t и ). 4. Из осциллограммы напряжения для ОФЛ при работе на согласованную нагрузку: рассчитать U н, сравнить с расчетным значением (U 0 — известно); определить t ф, t и и рассчитать длину линии l, рассчитать запасенную энергию в накопителе W. (погонную емкость кабеля определить по справочнику) 5. Из осциллограмм напряжения для ДФЛ и трансформатора Льюиса согласованную нагрузку: рассчитать U н, сравнить с расчетным значением (U 0 — известно); определить t ф, t и. 6. Объяснить полученные экспериментальные результаты. 6

Назначение и параметры длинных линий

Передача энергии от генератора СВЧ к антенне и от антенны к приемнику осуществляется с помощью различных типов линий (фидеров). В качестве линий передачи СВЧ энергии в метровом диапазоне волн применяются двухпроводные линии (симметричные или коаксиальные), в сантиметровом – волноводы (полые металлические трубы круглого или прямоугольного сечения). Кроме того, отрезки двухпроводных линий и волноводов используются в качестве колебательных систем генераторов.

Простейшая двухпроводная линия представляет собой два параллельных проводника (слайд 13).

Точки, к которым подключен генератор, называют входом линии. Нагрузка подключена на противоположном конце линии и называется выходом. По одному из проводов течет ток к нагрузке, а по другому возвращается на генератор.

Линия называется длинной, если ее длина больше или соизмерима с длиной волны, а поперечные размеры линии, т.е. расстояние между проводами и толщина проводов, много меньше длины. В радиотехнике длину линии измеряют не обычными мерами, а длиной волны l/4, l/2, 3/4l, 3l и т.д.

Например, линия электропередачи длиной 100 км не считается длинной, так как при частоте 50 Гц длина волны составляет 6000 км, а линия, имеющая длину 1 м на частоте 3000 мГц, считается длинной, потому что длина волны в этом случае равна 10 см. Расчет длины волны ведется по формуле: ,

где С – скорость света, равная 3х10 8 м/с.

Эквивалентная схема линии показана на рис. 2.2 (слайд 14).

Двухпроводная линия представляет собой электрическую цепь с распределенными параметрами, в которой каждый участок провода обладает емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением. Эти параметры в линии распределены вдоль всего провода и называются погонными.

Элементарные индуктивности dL, емкости dC, сопротивления dR образуют ячейку линии.

Величины индуктивности L1 и емкости С1 ячейки зависят от конструкции линии. Чем больше поверхность проводов линии и меньше расстояние между ними, тем больше погонная емкость С1 и тем больше погонная индуктивность L1. Обычно погонная индуктивность имеет порядок единиц микрогенри на метр, а емкость – несколько пикофарад на метр.

Замена реальной линии цепью звеньев, состоящих из конденсаторов и катушек, оказалась полезной не только на эквивалентной схеме, но и в реальных условиях. Ряд физических процессов (заряд постоянным током, разряд через активное сопротивление, задержка импульсов) в цепи из конденсаторов и катушек протекает примерно так же, как и в реальной линии, если число звеньев не менее четырех.

Цепь, состоящую из сосредоточенных емкостей и индуктивностей, называют искусственной линией. (слайд 15).

Искусственная линия широко используется для формирования импульсов напряжения прямоугольной формы и для задержки импульсов. Чем больше число звеньев и чем меньше индуктивность и емкость каждого звена искусственной линии, тем ближе она к реальной. В практике используются линии с числом звеньев от 4 до нескольких десятков.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Формирователи прямоугольных импульсов

Формирователи прямоугольных импульсов создают их из синусоидальных изменений напряжений или импульсов другой формы. В частности, прямоугольные импульсы могут быть сформированы из одиночных коротких импульсов треугольной или трапециевидной форм, из импульсов колоколообразной или экспоненциальной форм и переменных напряжений произвольной формы.

Формирователи прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения.

Во многих случаях возникает задача формирования прямоугольных импульсов из переменных напряжений синусоидальной формы. Для этой цели можно использовать диодную схему ограничения напряжения сверху и снизу с последующим применением ждущего мультивибратора или другого формирователя прямоугольных импульсов. Наиболее простой схемой, непосредственно формирующей прямоугольные импульсы из синусоидального напряжения, является генератор импульсов напряжения на транзисторном ключевом каскаде, (рис. 4.1, а). Для биполярных

Рис. 4.1. Структурные схемы формирователей прямоугольных импульсов: а — на транзисторе; б — инверторе НЕ; в — элементе ИЛИ-НЕ транзисторов в этом каскаде номиналы сопротивлений примерно следующие: R]= 10 кОм, R2= 3,3 кОм. В такой схеме используются нелинейные свойства работы транзистора в режимах отсечки и насыщения. На ее выходе формируется последовательность практически прямоугольных импульсов 1/вых при поступлении на вход синусоидального напряжения UM. Недостатками такого формирователя являются относительно пологие фронты и срезы импульсов в последовательности и довольно большое входное напряжение (20. 30 В). Транзистор не имеет базового напряжения смещения, поэтому при отсутствии напряжения на входе он закрыт. При поступлении положительного полупериода входного сигнала транзистор полностью открывается и переходит в режим насыщения. При этом напряжение на его выходе падает до нуля. В течение отрицательного полупериода входного сигнала транзистор полностью закрыт и находится в режиме отсечки, при котором напряжение на его выходе равно напряжению питания.

Аналогичные формирователи могут быть выполнены на логических элементах: инверторе НЕ (рис. 4.1, б) и элементе ИЛИ-НЕ (рис. 4.1, в). На этих элементах получают прямоугольные импульсы ?4ых с резким фронтом и срезом при изменении входного напряжения в пределах 0. 5 В.

Другим примером является формирователь прямоугольных импульсов, собранный на двух логических элементах ИЛИ-HE, соединенных как /?5-триггер с прямыми входами (рис. 4.2, а). Дополнительно к входу R подключен инвертор, на вход которого подается входное синусоидальное напряжение вх.

Формирователь работает следующим образом (рис. 4.2, б). При синусоидальном изменении входного напряжения Uw наступает

Рис. 4.2. Формирователь прямоугольных импульсов на /?5-триггере

а — структурная схема; б — эпюры напряжений момент, когда на входе 5 элемента ИЛ И-НЕ образуется положительное напряжение, соответствующее уровню логической 1. Триггер принимает устойчивое состояние, при котором выходы Q= 1 и Р= 0. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока напряжение на входе инвертора не станет ниже уровня, соответствующего его логическому нулю. В этот момент сигнал на выходе инвертора будет соответствовать логической 1 и поступит на вход R триггера, что приведет к смене состояния на выходах Р= 1 и Q=0. В соответствии с изложенным, на верхней эпюре напряжения показан синусоидальный сигнал на входе 5схемы и пунктиром обозначены моменты перехода входного напряжения к значению, соответствующему логической единице (5=1). Ниже показаны сигналы с инвертора, поступающие на вход R. Моменты появления логической единицы (/?= 1) на входе Rтакже обозначены вертикальными пунктирными линиями. Этим моментам соответствуют переходы формирователя в новое состояние. В результате работы формирователя на его выходе образуется последовательность прямоугольных импульсов напряжения, следующих с той же частотой, что и частота входного сигнала. Вместо логических элементов ИЛИ-HE в схеме (см. рис. 4.2, а) можно использовать интегральную микросхему /?5-триггера, к входу R, которого подключен выход инвертора НЕ.

Обеспечивающую временную задержку импульса этот. Формирование прямоугольных импульсов заданной длительности

Разве может о чем-то поведать импульс? — скажете вы. Импульс он и есть импульс, только прямоугольной формы.

Но в том-то и дело, что до сих пор мы лишь наблюдали на экране осциллографа подобные импульсы, скажем, во время настройки электронного коммутатора, и по их наличию судили об исправности генератора. Если же использовать прямоугольный импульс в качестве контрольного сигнала и подавать его, например, на вход усилителя ЗЧ, то по форме выходного сигнала можно сразу же оценить работу усилителя и назвать его недостатки — малую полосу пропускания, недостаточное усиление на низших или высших частотах, самовозбуждение в какой-то области частот.

А возьмите широкополосный делитель напряжения, используемый, например, в самодельных измерительных приборах или осциллографах. «Пропущенный» через него прямоугольный импульс подскажет точные параметры деталей, необходимые для получения неизменного коэффициента деления сигнала в широком диапазоне частот.

Чтобы сказанное стало понятно, давайте сначала познакомимся с некоторыми параметрами импульсного сигнала, которые нередко упоминаются в описаниях различных генераторов, устройств автоматики и вычислительной техники. Для примера на рис. 97 показан «внешний вид» несколько искаженного (по сравнению с прямоугольным) импульса, чтобы нагляднее были видны его отдельные части.

Один из параметров импульса — его амплитуда (Uмакс), наибольшая высота импульса без учета небольших выбросов. Продолжительность нарастания импульса характеризует длительность фронта tф, а убывания -длительность спада tс. Продолжительность же «жизни» импульса определяет длительность tи — время между началом и концом импульса, отсчитываемое обычно на уровне 0,5 амплитуды (иногда на уровне 0,7).

Вершина импульса может быть плоской, с завалом или подъемом. У прямоугольного импульса вершина плоская, а фронт и спад настолько крутые, что определить их длительность по осциллографу не удается.

Импульсный сигнал оценивают еще и скважностью, показывающей соотношение между длительностью импульса и периодом следования импульсов. Скважность — частное от деления периода не длительность. В показанном на рис. 97, б примере скважность равна 3.

Вот теперь, после краткого знакомства с импульсом и его параметрами, построим генератор прямоугольных импульсов, необходимый для последующих экспериментов. Он может быть выполнен как на транзисторах, так и на микросхемах. Главное, чтобы генератор выдавал импульсы с крутыми фронтами и спадами, а также с возможно более плоской вершиной. Кроме того, для наших целей скважность должна находиться в пределах 2-3, а частота следования импульсов составлять в одном режиме примерно 50 Гц, а в другом – 1500 Гц. Чем вызваны частотные требования, вы узнаете позже.

Наиболее просто обеспечить поставленные требования может генератор на микросхеме и транзисторе (рис. 98). Он содержит немного деталей, работоспособен при снижении напряжения питания до 2,5 В (при этом падает в основном амплитуда сигнала) и позволяет получить выходные импульсы амплитудой до 2,5 В (при указанном напряжении питания) при скважности 2,5.

Собственно сам генератор выполнен на элементах DD1.1 — DD1.3 по известной схеме мультивибратора. Частота следования импульсов зависит от сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора, подключенного в данный момент переключателем SA1. В показанном на схеме положении подвижного контакта переключателя к генератору подключен конденсатор С1, поэтому импульсы на выходе генератора (вывод 8 элемента DD1.3) следуют с частотой 50 Гц (период следования 20 мс). Когда подвижный контакт переключателя будет поставлен в нижнее по схеме положение,подключится конденсатор С2 и частота следования станет равной примерно 2000 Гц (период следования 0,5 мс).

Далее импульсный сигнал поступает через резистор R2 на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT1. С движка переменного резистора R3, являющегося нагрузкой повторителя, сигнал подается на выходной зажим ХТ1. В итоге с зажимов ХТ1 и ХТ2 можно снимать прямоугольные импульсы амплитудой от нескольких десятков милливольт до единиц вольт. Если по каким-либо причинам даже минимального сигнала окажется в избытке (например, при проверке весьма чувствительного усилителя), выходной сигнал можно уменьшить либо включением между верхним по схеме выводом резистора R3 и эмиттером транзистора постоянного резистора сопротивлением 1-З кОм, либо применением внешнего делителя напряжения.

Несколько слов о деталях. В генераторе могут работать элементы И-НЕ других микросхем серий К155 (скажем, К155ЛА4), а также любой транзистор серии КТ315. Конденсатор С1 — К50-6 или другой, рассчитанный на напряжение не ниже 10 В; С2 — любой, возможно меньших габаритов. Резисторы — МЛТ-0,125 и СП-1 (R3), источник питания — батарея 3336. Потребляет генератор менее 15 мА, поэтому такого источника хватит надолго.

Поскольку деталей в генераторе немного, нет нужды давать чертеж печатной платы — разработайте ее самостоятельно. Плату с деталями и источник питания укрепите внутри корпуса (рис. 99), а на его передней стенке разместите переключатель диапазонов, выключатель питания, переменный резистор и зажимы.

Следующий этап — проверка и налаживание генератора с помощью нашего осциллографа. Входной щуп осциллографа подключите к выводу 8 микросхемы, а «земляной» — к общему проводу (зажим ХТ2). Осциллограф работает пока в автоматическом режиме (кнопка «АВТ. -ЖДУЩ.» отжата), синхронизация — внутренняя, вход — открытый чтобы исключить искажения сигнала, следующего с низкой частотой). Входным аттенюатором осциллографа можно установить чувствительность, скажем, 1 В/дел., а переключателями длительности развертки — длительность 5 мс/дел.

После подачи питания на генератор и установки переключателя SA1 в показанное на схеме положение, на экране осциллографа появится изображение в виде двух парал-

лельных линий (рис. 100, а), составленных перемещающимися «штрихами». Так выглядит несинхронизированное изображение импульсного сигнала.

Достаточно теперь перевести осциллограф в ждущий режим (нажать кнопку «АВТ. — ЖДУЩ.») и установить синхронизацию от положительного сигнала поворотом ручки «СИНХР.» в крайнее по часовой стрелке положение, чтобы изображение на экране «остановилось» (рис. 100, б). Если изображение немного подергивается, добейтесь лучшей синхронизации его ручкой регулировки длины развертки.

Определите длительность периода повторения импульсов и, если это необходимо. установите ее равной 20 мс подбором резистора R1.

Измерить точно период при установленной длительности развертки затруднительно, поэтому воспользуйтесь простым приемом. При данной синхронизации установите длительность развертки равной 2 мс/дел. На экране должно появиться более растянутое изображение импульса (рис.100, в), длина вершины которого составит примерно 3,5 деления, т. е. длительность импульса будет равна 7 мс.

Затем при этой же длительности развертки установите синхронизацию отрицательным сигналом, повернув ручку «СИНХР.» в крайнее положение против часовой стрелки. На экране увидите изображение паузы (рис. 100,г), поскольку развертка осциллографа запускается теперь спадом импульса. Длина линии 6,5 деления, значит, длительность паузы равна 13мс. Сумма длительностей импульса и паузы составит значение периода повторения импульсов (20 мс).

Аналогично проверьте работу генератора на втором диапазоне, установив подвижный контакт переключателя в нижнее по схеме положение («2 кГц»). Длительность развертки осциллографа в этом случае установите равной, например, 0,1 мс/дел. Период следования импульсов на этом диапазоне должен составить 0,5 мс, что соответствует частоте повторения 2000 Гц. Подстраивать в генераторе ничего не нужно, поскольку точность частоты на этом диапазоне особой роли не играет. В случае же значительного отклонения частоты от указанной ее можно изменить подбором конденсатора С2.

После этого переключите входной щуп осциллографа на зажим ХТ1 и проверьте действие регулятора амплитуды выходного сигнала — переменного резистора R3. Вы наверняка обратите внимание, что при установке движке переменного резистора в верхнее по схеме положение максимальная амплитуда импульсов будет несколько меньше, чем на мультивибраторе.Объясняется это действием эмиттерного повторителя, коэффициент передачи которого меньше единицы из-за падения части сигнала на эмиттерном переходе транзистора.

Генератор готов, можно проводить эксперименты. Начнем с проверки действия на импульс простых RC-цепей: дифференцирующей и интегрирующей. Сначала подключите к выходу генератора дифференцирующую цепь,составленную из конденсатора и переменного резистора (рис. 101). Движок резистора поставьте в нижнее по схеме положение, а на генераторе установите диапазон «50 Гц» и максимальную амплитуду выходного сигнала. При этом на экране осциллографе (он работает в ждущем режиме с синхронизацией от положительного сигнала, длительность развертки — 5мс/деп., чувствительность — 1 В/дел.) увидите изображение импульсов со скошенной вершиной (рис. 102, а). Нетрудно заметить, что импульс как бы опустился по линии спада, из-за чего увеличился размах изображения.

Искажения импульса будут расти, а размах изображения увеличиваться при перемещении движка переменного резистора вверх по схеме. Уже при сопротивлении резистора около 4 кОм размах практически достигнет удвоенной амплитуды импульса

(рис. 102, б), а при дальнейшем уменьшении сопротивления (до 1 кОм) от импульса останутся лишь остроконечные пики на месте фронта и спада. Иначе говоря, в результате дифференцирования из прямоугольного импульса удастся получить два остроконечных — положительный (по фронту) и отрицательный (по спаду).

Кроме того, дифференцирование позволяет «укоротить» импульс по времени — ведь длительность импульса измеряют по уровню 0,5 его амплитуды, а на этом уровне ширина импульса плавно изменяется при повороте ручки переменного резистора).

Дифференцирующие свойства цепи зависят от частоты повторения импульсов. Достаточно переставить переключатель диапазона генератора в положение «2 кГц» — и скос вершины практически пропадет. Импульсы, следующие с такой частотой, наше дифференцирующая цепочка пропускает практически без искажений. Чтобы получить тот же эффект, что и в предыдущем случае,емкость конденсаторе должна быть уменьшена до 0,01 мкФ.

А теперь поменяйте детали местами (рис. 103) — получится интегрирующая цепочка. Поставьте движок переменного резистора в крайнее левое по схеме положение, т. е. выведите сопротивление резистора. Изображение сигнала останется практически таким же, что и на выходе генератора до подключения цепочки. Правда, спад импульсов станет слегка изогнутым — результат разрядки конденсатора, успевающего зарядиться во время импульса.

Начинайте плавно перемещать движок резистора вправо по схеме, т. е. вводить сопротивление резистора. Сразу же фронт импульса и спад начнут скругляться (рис. 104, в), амплитуда сигнала падать. При максимальном сопротивлении резистора наблюдаемый сигнал стонет походить на пилообразный (рис. 104,б).

В чем суть интегрирования? С момента появления фронта импульса конденсатор начинает заряжаться, а по окончании импульса — разряжаться.Если сопротивление резистора или емкость конденсатора малы, конденсатор успевает зарядиться до амплитудного значения сигнала и тогда»заваливается» лишь фронт и часть вершины импульса (рис. 104, а). В этом случае можно сказать, что постоянная времени интегрирующей цепи(произведение емкости на сопротивление) меньше длительности импульса. Если же постоянная времени соизмерима или превышает длительность импульса, конденсатор не успевает зарядиться полностью во время импульса и тогда амплитуда сигнала на нем падает (рис. 104, б). Конечно, характер интегрирования зависит не только от длительности импульсов, но и частоты их повторения.

Чтобы убедиться в сказанном, вновь выведите сопротивление резистора,установите на генераторе диапазон «2 кГц» и соответственно измените длительность развертки осциллографа. На экране предстанет картина уже проинтегрированных импульсов (рис. 104, в). Это результат «взаимодействия» сопротивления эмиттерного повторителя и емкости конденсатора. Введите хотя бы небольшое сопротивление переменным резистором — и вы увидите на экране осциллографа сигнал треугольной формы (рис. 104, г). Амплитуда его мала, поэтому придется увеличить чувствительность осциллографа. Не правда ли, отчетливо видна линейность процесса зарядки и разрядки конденсатора?

В этом примере постоянная времени интегрирующей цепи немного превышает длительность импульса, поэтому конденсатор успевает заряжаться лишь до весьма малого напряжения.

Пришло время поговорить о практическом использовании прямоугольных импульсов, например, для оценки работы усилителя звуковой частоты. Правда, подобный способ пригоден для своеобразного экспресс-анализа и не дает всеобъемлющей картины амплитудно-частотной характеристики усилителя. Но он позволяет объективно оценивать способность усилителя пропускать сигналы тех или иных частот, устойчивость к самовозбуждению,а также правильность выбора деталей между каскадных связей.

Принцип проверки прост: на вход усилителя подают сначала прямоугольные импульсы с частотой следования 50 Гц, а затем — 2000 Гц, а на эквиваленте нагрузки наблюдают форму выходного сигнала. По искажениям фронта: вершины или спада судят о характеристике усилителя и его устойчивости работы.

Для примера можете исследовать усилитель ЗЧ с темброблоком (либо другой широкополосный усилитель). Его соединяют с генератором и осциллографом соответствии с рис. 105. Переключатель диапазонов генератора устанавливают положение «50 Гц», а выходной сигнал таким, чтобы при максимальном усилении усилителя и примерно средних положениях ручек регуляторов тембра амплитуда сигнала на эквиваленте нагрузки соответствовала номинальной выходной мощности, например 1,4 В (для мощности 0,2 Вт при сопротивлении нагрузки 10 Ом). Картина на экране осциллографа, подключенного к эквиваленту нагрузки, может соответствовать показанной на рис. 106, а, что будет свидетельствовать о недостаточной емкости разделительных конденсаторов между усилительными каскадами или конденсатора на выходе усилителя — через него подключена нагрузка.

Чтобы убедиться, скажем, в последнем предположении, достаточно перенести входной щуп осциллографа непосредственно на выход усилителя -до разделительного конденсатора. Если скос вершины уменьшится (рис.106, б), значит вывод верен и для лучшего воспроизведения нижних частот емкость конденсатора следует увеличить.

Аналогично просматривают изображения импульсов до и после разделительных конденсаторов между каскадами усилителя и обнаруживают тот, емкость которого недостаточна. Если усилитель вообще плохо пропускает низшие частоты, могут наблюдаться на экране осциллографа узкие пики на месте фронта и спада импульсов, как это было при сильном дифференцировании. Но более полная картина состояния усилителя получается при подаче на его вход импульсов частотой 2000 Гц. Считается, что фронт и спад отражают прохождение высших частот звукового диапазона, а вершина – низших.

Если в усилителе все в порядке и он равномерно пропускает сигнал в широкой полосе частот, то выходной импульс (сигнал на эквиваленте нагрузки) будет соответствовать по форме входному (рис. 107, а). В случае «завала» фронте и спада (рис. 107, б) можно считать, что на высших частотах уменьшилось усиление. Еще большее снижение усиления на этих частотах зафиксирует изображение, приведенное на рис. 107, а.

Возможны и многие другие варианты: падение усиления на низших частотах(рис. 107, г), некоторое повышение усиления на низших частотах (рис.107, д), падение усиления на низших и средних (провал в вершине)частотах (рис. 107, е), мала постоянная времени межкаскадных связей(рис. 107, ж) — обычно мала емкость переходных конденсаторов, подъем усиления на низших (рис 107, з) или высших (рис. 107, и) частотах,снижение усиления в каком-то узком диапазоне (рис. 107. к).

А вот два примера изображения выходного импульса (рис. 107, л, м), когда в усилителе есть резонирующие цепи.

Практически большинство этих изображений вам удастся наблюдать при изменении положений ручек регулировки тембра по низшим и высшим частотам. Одновременно с просмотром изображений неплохо было бы снимать амплитудно-частотную характеристику усилителя и сравнивать ее с «показаниями» импульсов.

И еще об одном примере использования прямоугольных импульсов — для настройки широкополосных делителей напряжения. Такой делитель,например, стоит в нашем осциллографе, он может быть в вольтметре или милливольтметре переменного тока. Поскольку полоса частот измеряемых сигналов может быть весьма широкой (от единиц до миллионов герц), делитель должен эти сигналы пропускать с одинаковым ослаблением, Иначе неизбежны ошибки измерении.

Каждый электрик должен знать:  Линейные динамические системы

Можно, конечно, проконтролировать работу делителя снятием его амплитудно-частотной характеристики, которая подскажет, в какую сторону следует изменить номинал того или иного элемента. Но дело это значительно более трудоемкое по сравнению с методом анализа прямоугольными импульсами.

Взгляните на рис. 108, а — на нем приведена схема широкополосного компенсированного делителя напряжения. Если на низших частотах можно было бы обойтись только резисторами, сопротивления которых определяют коэффициент передачи (или коэффициент деления) делителя, то на высших частотах помимо резисторов в работе делителя участвуют конденсаторы в виде емкости монтажа, входной емкости, емкости соединительных проводников. Поэтому коэффициент передачи делителя на этих частотах может измениться значительно.

Чтобы этого не произошло, в делителе используют конденсаторы, шунтирующие резисторы и позволяющие компенсировать возможное изменение коэффициента передачи на высших частотах. Причем конденсатором С2 может быть емкость монтажа, достигающая иногда десятков пикофарад. Резистором же R2 может быть входное сопротивление устройства (осциллограф или вольтметр).

Компенсированным делитель станет в том случае, если будет обеспечено вполне определенное соотношение сопротивлений и емкостей делителя, а значит, будет равномерным коэффициент передачи делителя независимо oт частоты входного сигнала. К примеру, если применен делитель на 2, то должно соблюдаться условие R1* C1=R2*C2. При других соотношениях нарушится равномерность передачи сигнала разной частоты.

Принцип проверки компенсированного делителя с помощью прямоугольных импульсов аналогичен принципу проверки усилителя — подавая сигнал частотой 2000 Гц на вход делителя, наблюдают форму его на выходе. Если делитель скомпенсирован, форма (но, конечно, не амплитуда) сигналов будет одинаковой. В противном случае окажутся «заваленными» фронт и спад либо искажена вершина — свидетельства неравномерного пропускания делителем сигналов разных частот.

Если, к примеру, изображение сигнала будет таким, как показано на рис.108, б, значит, на высших частотах коэффициент передачи делителя падает из-за большого сопротивления на этих частотах цепочки R1C1. Следует увеличить емкость конденсатора C1. В случае появления искажений импульсов, показанных на рис. 108, в, придется, наоборот, уменьшить емкость конденсатора С1.

Попробуйте самостоятельно составить делители с разными коэффициентами деления (например, 2, 5, 10) из резисторов с высоким сопротивлением (100. 500 кОм) и конденсаторов разной емкости (от 20 до 200 пФ) и добиться полной компенсации подбором конденсаторов.


В этой работе вы заметите влияние на результаты измерений самого осциллографа — ведь его входная емкость составляет десятки пикофарад, а

входное сопротивление около мегаома. Помните, что аналогичное влияние осциллограф оказывает на все высокоомные цепи, а также на частотозависимые. А это порою приводит либо к получению ошибочных результатов, либо вообще лишает возможности применить осциллограф, скажем, для анализа работы и измерения частоты радиочастотных генераторов. Поэтому в подобных случаях следует пользоваться активным щупом — приставкой к осциллографу, позволяющей сохранить высокое входное сопротивление его и в десятки раз уменьшить входную емкость.Описание такой приставки будет опубликовано в следующем номере журнала.

Вот теперь, когда вы познакомились с возможностью прямоугольного импульса подсказывать «диагноз» и контролировать «лечение», соберем еще одну приставку. Это делитель напряжения, с помощью которого осциллографом станет возможно контролировать цепи с напряжением до 600В, например, в телевизионных приемниках (как известно, осциллографОМЛ-2М допускает подачу на вход напряжения до 300 В).

Делитель образован всего двумя деталями (рис. 109), составляющими верхнее плечо предыдущей схемы. Нижнее же плечо сосредоточено а самом осциллографе — это его входное сопротивление и суммарная входная емкость, включая емкость выносного кабеля со щупами.

Поскольку нужно лишь вдвое уменьшить входной сигнал, резистор R1 должен быть такого же сопротивления, что и входное сопротивление осциллографа, а емкость конденсатора С1 соответствовать суммарной входной емкости осциллографа.

Делитель можно выполнить в виде переходника со щупом ХР1 на одном конце и гнездом XS1 на другом. Резистор R1 должен быть мощностью не менее 0,5 Вт, а конденсатор с номинальным напряжением не ниже 400 В.

Налаживание делителя весьма упрощено благодаря использованию нашего генератора импульсов. Его сигнал подают на гнездо ХР1 делителя и «земляной» щуп осциллографа. Вначале устанавливают на генераторе диапазон «50 Гц», на осциллографе включают ждущий режим и открытый вход. Касаются входным щупом осциллографа щупа ХР1 делителя (или зажимаХТ1 генератора). Подбором чувствительности осциллографа и амплитуды выходного сигнала генератора добиваются размаха

изображения, равного, скажем, четырем делениям.

Затем переключают входной щуп осциллографа в гнездо XS1 делителя. Размах изображения должен уменьшиться ровно вдвое. Более точно коэффициент передачи делителя можно установить подбором резистора R1делителя.

После этого устанавливают на генераторе диапазон «2 кГц» и подбором конденсатора С1 (если это понадобится) добиваются правильной формы импульсов — такой, как и на входе делителя.

При пользовании таким делителем для проверки режимов работы блоков развертки телевизоров по приводимым в инструкциях и различных статьях изображениям сигналов чувствительность осциллографа устанавливают равной 50 В/дел., а проверку ведут при закрытом входе осциллографа. Как и прежде, отсчет ведут по шкале масштабной сетки, но результаты увеличивают вдвое.

СССР по делам изобретений и открытий

А.В. Козлов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ЗАДЕРЖКИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к измери- . тельнОй и вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в экстремальных корреляционных системах для определения скорости передвижения, в корреляционных расходомерах, в импульсных устройствах автоматики.

Известно устройство задержки импульсов, содержащее генератор импульсов, входной управляющий триггер, элемент И, управляемый делитель частоты (1 j.

Недостатком устройства является то, что при задержке импульсов не сохраняется их длительность.

Известно также устройство задержки импульсов, содержащее генератор импульсов, три элемента И, два управляющих триггера, реверсивный счетчик, управляемый делитель частоты, дешифратор нуля f 2 .

Однако устройство имеет достаточно сложную схему управления из-за применения реверсивного счетчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство задержки прямоугольных импульсов, содержащее генератор импульсов, регистр времени задержки,уп-, равляемый делитель частоты, состоящий из двоичного счетчика., схемы сброса и записи и двух элементов И, 5 первые и вторые входы которых соединены соответственно с выходами регистра времени задержки и первым выходом схемы сброса и установки, а выходы элементов подключены к установочным S-входам счетчика, первые и вторые элементы И и RS-триггеры, двоичный счетчик и схема сравнения, выход которой подключен к входам сброса RS-триггеров, а ее входы сое динены с информационными выходами двоичного счетчика и управляемого делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом второго

RS-триггера, выход которого подключен к входу схемы сброса и записи и является выходом устройства, генератор импульсов через первые входы элементов И подключен к управляющим входам двоичного счетчика и управляемого делителя частоты, соответственно, входы сброса которых соединены с вторым выходом схемы сброса и записи, источник входного сигнала подсоединен к второму входу второго элемента И и к установочному входу первого R5, -триггера, выход которого сое1003321 динен со вторым входом первого элемента И (3).

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает задержку входного импульса в случае, когда время между окончанием предыдущего входного импульса и началом следующего импульса меньше времени задержки, так как при этом условии устройство еще не сформировало задержанный предыдущий импульс и поэтому не может принять следующий входной импульс. Действительно, если формирование предыдущего задержанного импульса не окончено, то при поступлении на вход устройства следующего импульса он не изменит состояния первого ВБ-триггера, так как последний уже находится в состоянии «1», но откроет второй элемент И. При этом. в двоичный счетчик поступит от гене- Щ ратора количество импульсов, пропорциональное длительности этого входного импульса. Код двоичного счетчика станет пропорционален сумме длительностей предыдущего и последующе- 75 го входных импульсов,т.о. длительность сформированного:;ыходного импульса будет равна суммарной длительности, что является нарушением работы устройства задержки. Задача задержки импульсов с переменной длительностью при описанном выше условии возникает в экстремальных корреляционных системах измерения скорости, в корреляционных расходомерах и других импульсных устройствах. Названные устройства синхрониэируются перестраиваемой тактовой частотой.

В каждом такте формируется только один прямоугольный импульс, длительность которого определяет измеряе- 4О мый параметр в этом такте. Этот импульс требуется задержать на время одного т кта. При этом передний фронт импульса совпадает с началом такта, поэтому, чтобы задержать импульс на,45 такт необходимо и достаточно задерживать только задний фронт импульса, так как его передний фронт связан с началом такта и определяется импульсом тактовой частоты. Время между 50 двумя прямоугольными импульсами. в таких названных устройствах всегда меньше времени задержки, равного переоду тактовой частоты, поэтому ставится задача усовершенствования рас- 55 смотренного устройства задержки прямоугольных импульсов для выполнения указанного требования °

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройст-6О ва задержки прямоугольных импульсов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство задержки прямоугольных импульсов, содержащее генератор импульсов, управляемый делитель час- g5 тоты, два элемента И, два RS-триггера, регистр времени задержки, выход которого соединен с информационным входом управляемого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен с первыми входами элементов И, выход первого RS-триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, а выход второго RS-триггера является выходом устройства, введены коммутатор, формирователь, вход которого является входом устройства, а выход формирователя соединен с входом коммутатора, третий RS -триггер, выход которого подключен к второму входу второго элемента И, элемент ИЛИ, выход которого соединен с R-входом второго RS-триггера, второй и третий управляемые делители частоты, информационные входы которых оединены с выходом регистра времени задержки,выходы первого и второго управляемых делителей частоты подключены к входам элемента

HJIH ooT eT T e o K R-входам первого и третьего RS-триггеров, S-входы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом третьего управляемого делителя частоты, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и

S-входу второго R 5 -триггера, выход второго элемента И соединен с управляющим входом второго управляемого делителя частоты.

Действительно, введение новых элементов и новых связей позволяет осуществлять задержку прямоугольных имб пульсов на время, равное периоду перестраиваемой тактовой частоты, при этом время между двумя задерживаемыми импульсами меньше времени задержки.

Для исключения влияния последующего импульса на формирование задержанного предыдущего импульса используются коммутатор, два RS-триггера, два элемента И, два управляемых делителя частоты. Коммутатор в каждый такт работы устройства подключает по очередности либо один, либо другой

RS-триггер, поэтому короткий импульс, соответствующий заднему фронту задерживаемого импульса, с выхода формирователя поступает по очереди на указанные RS- триггеры, и задержка импульсов осуществляется по очереди на первом и на втором управляемых делителях частоты. Это устраняет влияние последующего входного импульса на формирование предыдущего задержанного импульса и делает возможным задержку последующего импульса.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства задержки прямоугольных импульсов; на

1003321 фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства задержки.

Устройство содержит формирователь

1, коммутатор 2, генератор импульсов

3, R5 -триггеры 4 и 5, элементы И 6 и 7, управляемые делители 8-10 часто- 5 ты, регистр 11 времени задержки, элемент ИЛИ 12, выходной RS-триггер 13.

Вход формирователя 1 является входом устройства, а его выход соединен с входом коммутатора 2, выход которо- 10 (го соединен соответственно с S-входами R5 -триггеров 4 и 5, выход генератора импульсов 3 соединен с управляющим входом управляемого делителя

8 частоты и первыми входами элементов15

И б и 7, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам управляемых делителей частоты 9 и

10, выходы которых соединены соответственно с R -входами R5-триггеров

4 и 5 и с входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к R-входу

RS-триггера 13, выход регистра 11 времени задержки соединен с информационными входами управляемых делителей 8-10 частоты, выход управляемого делителя 8 частоты подключен к управляемому входу коммутатора 2 и к

5-входу RS-триггера 13, выход которого является выходом устройства задержки.

Формирователь 1 предназначен для формирования короткого импульса, который соответствует заднему фронту входного задерживаемого импульса, Ç5 поступаюшего на его вход. Коммутатор 2 по очереди подключает выход формирователя 1 к S -входам RS-триггеров 4 и 5. Импульсы с генератора 3, проходя через делитель 8, формируют 40 импульсы тактовой частоты, период которой равен времени задержки и определяется кодом регистра 11. Импульсы тактовой частоты подаются на управляющий вход коммутатора и S-вход45

RS-триггера 13, что обеспечивает коммутацию импульсов с выхода формирователя с частотой, равной тактовой частоте, и формирование переднего фронта задержанного импульса íà Выхо-50 де RS-триггера 13 по импульсу такто- вой частоты, т.е. с начала следуницего такта. Делители 9 и 10 формируют импульс, задержанный на период тактовой частоты, элемент ИЛИ 12 осуществляет операцию объединения выходов делителей 9 и 10, поэтому каждый задержанный импульс.с выходов делителей 9 и 10 поступает íà R-âõñä

RS-триггера 13, при этом на его выходе формируется задний фронт задер- 60 жанного импульса.

Устройство работает следующим образом.

Выходные импульсы тактовой частоты, формйрующиеся на выходе делите- g5 ля 8, синхронизируют работу не только устройства задержки, но и всего прибора, в котором используется данное устройство. На вход устройства задержки 1 поступают прямоугольные импульсы, которые необходимо задержать на время одного такта. Передние фронты всех импульсов совпадают с началом тактов, поэтому импульсы тактовой частоты подают на 5-вход RS триггера 13, при этом на его выходе формируются задержанные импульсы,передние фронты которых совпадают с началом тактов. Импульсы с выхода формирователя 1, проходя через коммутатор 2, поочередно, через такт, поступают на S-входы триггеров 4 и 5.

С приходом такого импульса на этих триггерах (поочередно в каждом такте) при помощи элемента И 6 или 7 и делителя 9 или 10 формируются прямоугольные импульсы, длителъность которых равна периоду тактовой частоты, так как коэффициенты деления делителей 8-10 равны и определяются кодом регистра.11 времени задержки. Задние фронты этих импульсов совпадают с выходными короткими импульсами делителей 9 и 10, так как эти короткие импульсы поступают на R-входы RS-триггеров 4 и 5 и устанавливают на их выходах сигнал «0», прекращая.прохождение импульсов с генератора 3 поочередно в каждом такте через элементы

И б или 7 на входы делителей 9 или

10. Импульсы с выходов делителей и 10, проходя через элемент ИЛИ, суммируются и подаются на R -вход RQ— триггера 13, который до прихода этих импульсов в каждом такте находится в состоянии «1» .Поступающие íà R -вход импульсы переводят этот триггер в состояние «.0», формируя задний фронт задержанных импульсов. Таким образом, на выходе RS-триггера 13 формируется последовательность прямоугольных импульсов, задержанная на время одного такта по сравнению с последовательностью входных импульсов.

Пр длагаемое устройство задержки прямоугольных импульсов расширяет функциональные возможности прототипа, обеспечивая задержку импульсов при условии, что время между двумя входными импульсами меньше, чем требуемое время задержки, которое может изменяться с изменением кода регистра времени задержки. Оно может быть использовано в корреляционных измерителях скорости, расхода и других подобных импульсных устройствах ° При этом тактовая частота и генератор импульсов используются для синхронизации работы всего измерителя. Кроме того, схема задержки значительно упрощается, так как устраняются операции измерения, запоминания и восста.новления длительности задерживаемо1003321

ro входного импульса. Снижение затрат при использовании предлагаемого устройства в названных измерителях зависит от требуемой точности и дискретности изменения времени, задержки, определяемой количеством разрядов управляемых делителей частоты. В прототипе это требование влияет на количество разрядов двоичного счетчика, в котором фиксируется длительность задерживаемого импульса. Этот счетчик!О со схемой измерения длительности отсутствует в предлагаемом устройстве, которое возможно было бы заменить двумя схемами прототипа с дополнительными элементами в названных изме-15 рителях. Использование этого устройст. ва вместо двух схем прототипа позволяет сократить количество микросхем, что обеспечивает снижение затрат. (Также уменьшается в два раза погреш- gg ность задержки импульса, так как задерживается только задний фронт импульса, а передний совпадает с тактовыми импульсами, поэтому погрешность задержки импульсов опреде» 25 ляется только погрешностью задержки заднего фронта.

Устройство задержки прямоугольных импульсов, содержащее генератор импульсов, управляемый делитель частоты, два элемента И, два RS-триггера, регистр времени. задержки, выход которого соединен с информационным входом управляемого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен с первыми входами элементов И, выход первого RS-триггера соединен со 40 вторым входом первого элемента И,выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, а выход второго k5 -триггера является выходом устройства, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены коммутатор, формирователь, вход которого является входом устройства, а выход формирователя соединен с входом коммутатора, третий g5-триггер, выход которого подключен ко второму входу второго элемента И, элемент ИЛИ, выход которого соединен с

A-входом второго R5-триггера, второй и третий управляемые делители частоты, информационные входы которых соединены с выходом регистра времени задержки, выходы первого и второго управляемых делителей частоты подключены к входам элемента ИЛИ и соответственно к R -входам первого и третьего к3-триггеров, 5 -входы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом третьего управляемого делителя частоты, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и.5-входу второго 95-триггера, выход второго элемента И соединен с управ» ляющим входом второго управляемого делителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Р 308499, кл. Н 03 К 5/1 3, 1969.

Р 396822, кл. Н 03 К 5/153, 1971.

Р 479234, кл. Н 03 К 5/153, 1973 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 1588 44 Ти аж 934 Подписное е

Филиал ППП «Патент», г.Ужгород, Ул.Проектная,4

Оценку параметра задержки, не управляемую решениями, можно получить путём усреднения отношения правдоподобия с учётом ФПВ информационных символов для получения . Затем или дифференцируется по для получения условия для МП оценки .

В случае двоичного (базового) AM, где с равной вероятностью, усреднение по данным дает результат

как раз такой, как в случае оценивания фазы. Поскольку для малых , квадратичная аппроксимация

предназначается для низких отношений сигнал/шум. Для многоуровневой AM мы можем аппроксимировать статистику информационных символов гауссовской ФПВ с нулевым средним и единичной дисперсией. Когда мы усредняем по гауссовской ФПВ, то получаем идентично в (6.3.8). Следовательно, оценку можно получить дифференцированием (6.3.8). Результат является аппроксимацией для МП оценки времени задержки без управления решениями. Производная от (6.3.8) приводит к результату

где определено (6.3.5).

Реализация отслеживающей петли, основанная на вычислении производной согласно (6.3.9), показана на рис. 6.3.2.

Рис.6.3.2. МП оценивание времени задержки для базового сигнала АМ, не управляемое решениями

Альтернативно реализация отслеживающей петли, основанная на (6.3.9), иллюстрируется на рис. 6.3.3. В обоих структурах мы видим, что суммирование служит петлевым фильтром, который управляет ТУН. Интересно отметить сходство таймерной петли на рис. 6,3.3 и петли Костаса для оценивания фазы.

Рис.6.3.3. Оценивание времени сдвига без обратной связи по решению для АМ в базовой полосе частот

Синхронизаторы с окнами на задержку-опережение . Другой оцениватель времени задержки, не управляемый решениями, использует симметричные свойства сигнала на выходе согласованного фильтра или коррелятора. Чтобы описать этот метод, рассмотрим прямоугольный импульс, показанный на рис. 6.3.4 (а). Выход фильтра, согласованного с получает свое максимальное значение в точке , как показано на рис. 6.3.4 (b). Таким образом, выход согласованного фильтра является временной функцией корреляции импульса . Конечно, это положение справедливо для произвольной огибающей импульса, так что подход, который мы опишем, применим в общем к произвольному сигнальному импульсу. Ясно, что хорошая точка для взятия отсчёта на выходе согласованного фильтра для получения максимального выхода – это , т.е. точка на пике корреляционной функции.

Рис.6.3.4. Прямоугольный импульс сигнала (a) и выход согласованного с ним фильтра (b)

В присутствии шума идентификация пикового значения сигнала в общем случае затруднена. Допустим, что вместо стробирования сигнала в точке пика мы берём отсчёт раньше (в точке ) и позже (в точке ). Абсолютные значение ранних отсчётов и поздних отсчетов будут меньше (в среднем в присутствии шума), чем абсолютное значение в пике . Поскольку автокорреляционная функция четна относительно оптимального времени взятия отсчётов , абсолютные значения корреляционной функции в точке и равны. С учетом этого условия хорошая точка отсчёта — средняя точка между и . Это условие образует основу синхронизатора с окнами на задержку-опережение.

Рисунок 6.3.5 иллюстрирует блок-схему синхронизатора с окнами на задержку- опережение. На этом рисунке корреляторы используются вместо эквивалентных согласованных фильтров. Два коррелятора интегрируют по символьному интервалу , но один коррелятор начинает интегрирование на секунд раньше относительно оцениваемого оптимального времени отсчёта, а второй интегратор начинает интегрирование на секунд позже относительно оцениваемого оптимального времени отсчета. Сигнал ошибки формируется путем взятия разности между абсолютными значениями выходов двух корреляторов. Чтобы сгладить влияние шума на отсчёты сигналов, сигнал ошибки пропускается через фильтр нижних частот. Если время отсчёта отличается от оптимального времени отсчёта, усредненный сигнал ошибки на выходе фильтра нижних частот не равен нулю, и таймерная последовательность смещается в сторону отставания или опережения, в зависимости от знака ошибки. Таким образом, сглаженный сигнал ошибки используется для управления ТУН, чей выход является желательным таймерным сигналом, который используется для стробирования. Выход ТУН также используется как таймерный сигнал для генератора символьного сигнала, который выдает ту же базовую форму импульса, что на выходе фильтра передатчика. Эта форма импульса смещается во времени на в сторону опережения и отставания, и полученные образцы ожидаемого сигнала поступают на два коррелятора, как показано на рис. 6.3.5. Заметим, что, если сигнальные импульсы прямоугольные, нет надобности в генераторе сигнального импульса внутри отслеживающей петли.

Рис.6.3.5. Блок-схема синхронизатора с окнами на задержку-опережение

Мы видели, что синхронизатор с окнами на задержку-опережение имеет в своей основе систему замкнутого петлевого управления, чья полоса относительно узка по сравнению со скоростью передачи символов . Полоса петли определяет качество оценки времени задержки. Узкополосная петля обеспечивает большее усреднение по аддитивному шуму и, таким образом, улучшает качество оцениваемых отсчётных величин в предположении, что время распространения в канале неизменно и таймерный генератор на передаче не дрейфует со временем (или дрейфует очень медленно во времени). С другой стороны, если время распространения в канале меняется со временем и (или) таймер передатчика также дрейфует со временем, тогда полосу петли следует увеличить, чтобы обеспечить отслеживание быстрых изменений во времени параметров синхронизации.

В устройствах отслеживания два коррелятора эффективно взаимодействуют при соседних символах. Однако, если последовательность информационных символов имеет нулевое среднее, как в случае с AM и при других видах модуляции, вклад в выходы корреляторов от соседних импульсов усредняется до нуля в фильтре нижних частот.

Эквивалентная реализация для синхронизатора с окнами на задержку-опережение, которая несколько проще в реализации, дана на рис. 6.3.6. В этом случае таймерный сигнал от ТУН опережает и запаздывает на , и эти таймерные сигналы используются для стробирования выходов двух корреляторов.

Синхронизатор с окнами на задержку-опережение, описанный выше, является оценивателем задержки сигнала, не управляемым решениями, который аппроксимирует максимально правдоподобный оцениватель. Это утверждение можно продемонстрировать путём аппроксимации производной от логарифма функции правдоподобия конечной разностью, т.е.

Рис.6.3.6. Блок-схема синхронизатора с окнами на задержку- опережение–альтернативный вариант

Если подставим выражение до из (6.3.8) в (6.3.10), получим следующую аппроксимацию для производной:

Но математические выражения (6.3.11) принципиально описывают преобразования, выполняемые синхронизатором с окнами на задержку-опережение, иллюстрируемые на рис. 6.3.5 и 6.3.6.

Формирование прямоугольных импульсов заданной длительности

Формирование импульсов по фронту или спаду входного сигнала осуществляется одновибраторами. Схемы таких формирователей, выполненные на ЛЭ, представлены на рис. 5.2. Импульсы одновибраторов, собранных по схемам 5.2 а и б , создаются за счет собственной задержки переключения ЛЭ.

Рисунок 5.2 – Одновибраторы с заданием длительности импульса временем задержки ЛЭ

В схеме рис. 5.2 а выходной импульс формируется в момент появления положительного перепада сигнала на входе запуска и заканчивается, когда через время n t з (n – нечетное число последовательно включенных инверторов, t з – время задержки переключения одного ЛЭ) на втором входе элемента DD1.4 появляется уровень логического нуля. Выходной импульс формируется на уровне логического нуля (отрицательный импульс) и имеет длительность n t з . Показанная на рис. 5.2 б схема с триггером улучшает форму выходного импульса. По перепаду сигнала на синхровходе из 1 в 0 JK -триггер устанавливается в единицу. С выхода логический ноль через элементы DD1DDn поступает на инверсный вход асинхронной установки триггера в 0 и возвращает триггер в исходное состояние. Если для создания задержки используется нечетное число ЛЭ, то вход DD1 следует подключить не к выходу , а к выходу Q .

Для формирования импульсов, длительность которых существенно превышает время t з , используют времязадающие RC -цепи и пороговые свойства ЛЭ. Схемы таких формирователей на ЛЭ ТТЛ даны на рис. 5.2 в , г .

Рисунок 5.3 – Одновибраторы с времязадающими RC-цепями

Одновибратор, собранный по схеме 5.3 а , запускается перепадом сигнала на входе из 1 в 0. Пока ток заряда конденсатора С создает на резисторе R падение напряжения, превышающее пороговое напряжение единицы ЛЭ, на выходе формируется отрицательный импульс. В момент достижения U пор , при длительности выходного импульса t и , превышающей длительность запуска, ЛЭ DD1.1 и DD1.2 выходит в активную область передаточной характеристики и схема за счет положительной обратной связи переключается в исходное состояние. Аналогичным образом работает одновибратор, выполненный по схеме 5.2 б , но здесь перезаряд конденсатора происходит от нулевого напряжения до напряжения на входе DD1.2 , равного пороговому напряжению нуля U пор . Длительности выходных импульсов этих одновибраторов находятся как .

Каждый электрик должен знать:  Создание электродного котла из подручных средств инструкция


При построении формирователей длительности импульсов с использованием времязадающих RC -цепей на ЛЭ КМОПТЛ по рассмотренным схемам, между общей точкой R и C и входом ЛЭ следует включить резистор сопротивлением 1…10 кW для ограничения тока через защитные диоды ЛЭ при восстановлении заряда конденсатора по окончании импульса.

Широкими функциональными возможностями генерации одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности обладают специальные ИС одновибраторов. Микросхема К155АГ1, условное обозначение которой при запуске спадом импульса показанo на рис. 5.4, представляет собой одноканальный одновибратор.

Рисунок 5.4 – Микросхема К155АГ1

Длительность генерируемого импульса задается RC -цепочкой. Может использоваться либо внутренний резистор R вн = 2 kW, либо навесной резистор R , сопротивление которого выбирается в пределах R . Емкость навесного конденсатора С до 10 μF, а если к стабильности выходных импульсов нет высоких требований, может достигать 1000 μF. При С 10 pF длительность выходных импульсов описывается формулой . Если навесные элементы отсутствуют, формируются импульсы t и – 30…35 ns. Для восстановления одновибратора к началу следующего импульса период входных сигналов должен отвечать условию t и 0,9 Т вх при R = 40 k Wи t и 0,67 Т вх при R = 2 kW. Запуск одновибратора производится перепадами из 1 в 0 по входам А1 и А2 или из 0 в 1 по входу В . Режимы работы ИС К155АГ1 приведены в табл. 5.1. Для уверенного запуска крутизна фронтов на входах А должна быть не менее 1 V/μs, по входу В не менее 1 V/s.

Входы Выходы Режим
А1 А2 B
x x x Устойчивое состояние
х х Запуск

Микросхема К155АГ3 содержит два одновибратора с возможностью повторного перезапуска во время формирования выходного импульса.

Рисунок 5.5 – Микросхема К155АГ3

Длительность выходного импульса задается установкой внешних резистора и конденсатора. Максимальная емкость конденсаторане лимитирована, сопротивление берется в пределах . Если одновибратор работает в режиме с перезапуском, то t u отсчитывается от последнего запускающего импульса. Для реализации режима работы без перезапуска необходимо соединить вход А с выходом Q либо вход В с выходом Q , тогда выходные сигналы, пришедшие на входы В или А во время формирования импульса, не окажут влияния на его длительность. Во всех случаях формирование импульса может быть прервано подачей 0 на вход SR .

При необходимости получить импульсы со стабильной длительностью от долей микросекунд до сотен секунд с выходными токами до 200 mА и уровнями логических переменных, согласованными с уровнями ТТЛ и КМОПТЛ элементов, применяют одновибраторы на таймере типа 1006 ВИ1 с внешними времязадающими элементами.

Рисунок 5.6 – Сигнализатор освещенности на таймере 1006ВИ1

На рис. 5.6 рассмотрено применение таймера в качестве сигнализатора освещенности объекта. При малой освещенности сопротивление фоторезистора R 3 велико и сигнализатор работает в режиме мультивибратора, вырабатывая прямоугольные импульсы длительностью с паузой между ними . При большой освещенности на выходе сигнализатора устанавливается напряжение логического нуля при выходном сопротивлении около 10 W. Сопротивление выбирают в пределах 1 kW…10 МW с учетом того, чтобы ток через транзистор VТ1 не превосходил 100 mА. Емкость конденсатора должна на несколько порядков превосходить входную емкость, и не рекомендуется устанавливать ее меньше 100 pF при формировании точных временных интервалов.

Сопротивление R 2 рассчитывают, исходя из обеспечения на выводе 4 таймера напряжения, меньшего 0,4 V при сильно освещенном фотосопротивлении R 3 . Чтобы мультивибратор генерировал колебания при большой освещенности фоторезистора, следует поменять местами резисторы R 2 и R 3 .

Сигнализатор может быть использован и при других типах датчиков, вырабатывающих непосредственно уровни сигналов 0 и 1.

Схемы задержки цифровых сигналов требуются для временно го согласования распространения сигналов по различным путям цифрового устройства. Временные рассогласования прохождения сигналами заданных путей могут привести к критическим временным состязаниям, нарушающим работу устройств. На время прохождения влияют параметры элементов, через которые передаются цифровые сигналы. Изменяя эти параметры, можно изменять время распространения сигналов. Для изменения времени задержки используют электромагнитные линии задержки, цепочки логических элементов, RC -цепочки. Используя такие элементы, можно получить сужение, расширение сигналов, сужение со сдвигом относительно фронта входного импульса и т. д.

Для изменения длительности и смещения импульса относительно фронта часто используют естественную инерционность логических элементов. Одна из схем, использующих инерционные свойства логических элементов, представлена на рис. 12.8. (Подобная схема приводилась на рис.3.25 в п.п. 3.2.3)

Рис. 12.8. Формирователь короткого импульса с задержкой относительно переднего фронта (а) и временная диаграмма (б)

Каждый логический элемент создает временную задержку, поэтому при появлении входного сигнала изменение уровня выходного сигнала после первого логического элемента U 1 происходит через время t зд.р. Аналогично, через интервал временной задержки изменяются выходные сигналы других инверторов (U 2 ,U 3). Изменение состояния четвертого элемента нужно анализировать с учетом того, что здесь входы раздельные. До поступления входного сигнала на верхнем входе логического элемента DD 4 была логическая 1, а на нижнем входе – логический 0. Поэтому в установившемся состоянии на выходе схемы был высокий потенциал (логическая 1).

После появления входного сигнала на нижнем входе элемента DD 4 устанавливается логическая единица, на верхнем также пока еще действует 1. Поэтому на выходе схемы через время t зд.р установится логический 0. Пройдя через три логических элемента, входной сигнал изменит значение U 3 c 1 на 0 (это верхний вход элемента DD 4). Выходное напряжение схемы с учетом t зд.р в элементе DD 4 снова станет равно 1. Следовательно, схема формирует из переднего фронта входного сигнала короткий импульс длительностью 3t зд.р со сдвигом относительно переднего фронта на t зд.р. Задний фронт входного сигнала изменения состояния схемы на выходе не вызывает, поскольку к моменту появления 1 на верхнем входе элемента DD 4 на нижнем уже существует 0. Поэтому 1 на выходе сохраняется до появления следующего входного импульса. Происходящие процессы без учета длительности фронтов импульсов представлены на временной диаграмме (рис. 12.8, б ). Формируемый схемой сигнал имеет низкий уровень.

Если конъюнктор DD 4 в схеме (рис. 12.8, а ) заменить на дизъюнктор, а число инверторов сделать четным, то схема будет расширять входные импульсы на временной интервал, равный n t зд.р, где n – число инверторов в цепи задержки. Схема расширителя импульсов и временная диаграмма его работы представлены на рис. 12.9.

Рис. 12.9. Схема расширителя импульсов (а ) и временная диаграмма (б )

Из временной диаграммы видно, что длительность выходного импульса больше длительности входного на 4t зд.р.

Рассмотрены кратко лишь несколько схем последовательных формирователей импульсов. Дополнительные сведения можно найти в .

Формирователи импульсов

Рентюк Владимир

В статье приведен обзор ряда практических схемных решений формирователей импульсов. Область их применения — устройства для детектирования импульсов, устройства сопряжения, модернизированное оборудование, измерительная техника, оборудование специального назначения и т. п.

Формирователи импульсов — одни из наиболее часто используемых узлов различной аппаратуры. Они необходимы для сопряжения устройств, для формирования логических уровней напряжения от активных датчиков и детектирования импульсов. По назначению эти устройства можно разбить на три группы:

  • формирователи некоторого произвольного по длительности импульса при поступлении на вход запускающего импульса;
  • формирователи выходного импульса, максимально приближенного по длительности к входному запускающему импульсу;
  • формирователи, которые в ответ на поступление на их вход запускающего импульса генерируют определенный по длительности и фазе импульс.

Как правило, для первой группы задача решается при помощи триггера Шмитта, для второй группы — компаратора или триггера Шмитта с предельно малым гистерезисом, а для третьей — за счет ждущего мультивибратора с запуском от порогового устройства.

Решение задачи усложняется, если запускающие импульсы имеют отрицательную полярность, а работа оборудования требует их сопряжения с цифровыми устройствами, которые используют импульсы положительной полярности с логическими уровнями. Имеется еще одна проблема — это выделение импульсов в условиях сильного зашумления. Именно такие задачи приходилось решать автору статьи на практике.

Одной из таких задач было найти предельно простые решения для обеспечения сопряжения нового оборудования с устаревшим, имевшимся у заказчика, поскольку переделка последнего была признана нецелесообразной. Представленные схемы были впервые опубликованы автором в [1], а их уточненные варианты — в [2]. В данной статье автор еще раз уточняет и дополняет ранее опубликованные материалы новыми практическими вариантами схемных решений, которые использовались в его последних практических работах и ранее не публиковались.

Самый простой вариант формирователя показан на рис. 1а, временная диаграмма его работы — на рис. 1б. Этот формирователь относится к первой группе.

Рис. 1. Простейший формирователь импульсов положительной полярности

Достоинство схемы — это однополярное напряжение питания +5 В, высокая помехоустойчивость и согласование фазы входных и выходных импульсов. Под последним здесь и далее имеется в виду то, что входной импульс отрицательной полярности приводит при его поступлении на вход преобразователя к генерации ответного импульса положительной полярности. Недостатком схемы является относительно высокий порог срабатывания (не менее 0,62 В) и высокий входной ток, который равен сумме токов коллектора и базы транзистора VT1. (Для упрощения ток базы ввиду его малости по отношению к коллекторному току можно не учитывать.)

Преобразование полярности выполняет каскад на транзисторе VT1, а для сопряжения с остальными цепями используется инвертор на ИМС 74НС132 [3]. Инвертор DD1-1 согласовывает фазы входных и выходных импульсов. (Примечание. Здесь и далее имеется в виду формирование сигнала положительной полярности в ответ на входной импульс отрицательной полярности.) Он используется и как основное пороговое устройство с гистерезисом (ИМС 74НС132 содержит триггеры Шмитта по входу), что совместно с высоким порогом реакции входного каскада обеспечивает высокую помехоустойчивость преобразователя в целом.

Порог срабатывания формирователя (VТ-) может быть рассчитан как:

где Vs — напряжение источника питания; VIL — входное напряжение перехода инвертора DD1-1 в состояние логического нуля.

Порог срабатывания формирователя для элементов, указанных на рис. 1а, при VIL = 1,4 В составляет -2,9 В, а гистерезис по входу — 0,5 В. Диод VD1 — необязательный, он используется как защитный, если имеется вероятность подачи на формирователь напряжения положительной полярности высокого уровня (более 5 В). На рис. 1б показаны осциллограммы работы преобразователя (верхняя трасса — входной сигнал, нижняя трасса — выходной сигнал формирователя).

Более сложный, но и более чувствительный формирователь, разработанный при помощи симулятора Multisim (National Instruments), представлен на рис. 2а.

Рис. 2. Формирователь импульсов с высокой чувствительностью

Его достоинства — малый по сравнению с формирователем, представленным на рис. 1, входной ток и порог срабатывания, формирование выходных импульсов с длительностью, близкой к длительности запускающего импульса, работа с сигналами малой длительности, малый фазовый сдвиг (задержка). Этот формирователь может работать с импульсами длительностью менее микросекунды. (На рис. 2 показан процесс преобразования импульса длительностью 1 мкс.) Недостатки — двухполярное напряжение питания и тот факт, что высокие характеристики этого формирователя достигаются лишь при реакции на входные сигналы, превышающие пороговое напряжение не менее чем в 3 раза.

Порог срабатывания формирователя с номиналами элементов, приведенными на рис. 2, не превышает -0,1 В, гистерезис при подключении внешнего инвертора на ИМС типа 74НС132 (при этом необходимо будет учесть инверсию) находится на уровне 10 мВ. Задержка импульса длительностью 1 мкс составляет не более 200 нс. На рис. 2б показаны осциллограммы работы преобразователя (верхняя трасса — входной сигнал, нижняя трасса — сигнал на коллекторе VT1).

Формирователь с повышенной устойчивостью и возможностью установки порога срабатывания представлен на рис. 3а (в предлагаемом варианте ранее не публиковался).

Рис. 3. Формирователь импульсов с гистерезисом и установкой необходимого порога срабатывания

В устройстве используется недорогая ИМС компаратора напряжения LM211 [4]. Формирователь выдает выходные импульсы положительной полярности с длительностью, которая соответствует ширине входного импульса на заданном уровне порога срабатывания. Для устойчивости работы схемы при зашумленном сигнале и, как следствие, дребезге на фронтах выходного сигнала в схеме имеется возможность установки гистерезиса (резистор R5). Фазы входных и выходных импульсов согласованы. Задержка отклика определяется в основном параметрами компаратора и в рассматриваемом случае не превышает 150 нс.

Выход формирователя — это транзистор с открытым коллектором, поэтому нагрузочный резистор R1 обязателен. При высоких значениях номинала резистора R1 будет иметь место затягивание заднего фронта выходного импульса из-за влияния емкости нагрузки. Порог компаратора устанавливается путем выбора номиналов сопротивлений R2, R4 и R5. Естественно, что он будет зависеть от величины питающего напряжения. Это необходимо принимать во внимание при его использовании.

Без учета влияния R5 порог срабатывания (VT–) схемы (рис. 3) рассчитывается по формуле:

где Ve — напряжение минусового источника питания.

При использовании гистерезиса вместо резистора R4 в эту формулу подставляется значение R4×[R5/(R4+R5)]. Величину гистерезиса можно рассчитать по удобной в использовании приближенной формуле:

Для элементов схемы, приведенных на рис. 3а, гистерезис по факту равен 66 мВ, а расчетный составляет примерно 70 мВ.

Если ширина импульса менее 0,5 мкс, то необходимо использовать более быстродействующий компаратор. На рис. 3б показаны осциллограммы работы преобразователя в условиях зашумления входного сигнала шумом с двойной амплитудой Vp-p = 60 мВ (верхняя трасса — входной сигнал, нижняя трасса — сигнал на выходе преобразователя).

Возникает вопрос, что можно предпринять, если шумовой сигнал превышает разумный гистерезис, а применение фильтров на входе приводит к недопустимой задержке реакции формирователя? На этот вопрос можно ответить с помощью схемы, представленной на рис. 4а.

Рис. 4. Нечувствительный к шумам формирователь импульсов с заданной длительностью

Здесь показан вариант формирователя, который позволяет преобразовывать импульсы отрицательной полярности заданного уровня в импульсы положительной полярности заданной длительности и амплитуды. Шумы, наложенные на входной импульс, не оказывают никакого воздействия на параметры выходных импульсов. (На рис. 4б верхняя трасса — размах амплитуды шумов Vp-p = 800 мВ, нижняя трасса — сигнал на выходе преобразователя.)

Формирователь, представленный на рис. 4а, не требует двухполярного питающего напряжения. Он выполнен на популярной недорогой ИМС интегрального таймера серии 555 (российский аналог 1006 ВИ1) [5]. Формирователь при воздействии запускающего импульса отрицательной полярности генерирует выходной импульс положительной полярности заданной длительности. Фазы импульсов согласованы. Порог срабатывания формирователя (VT–) установлен сопротивлениями R1 и R3.

Этот порог можно рассчитать как:

где Vs — напряжение источника питания ИМС.

Длительность выходного импульса (t) рассчитывается как t = 1,1×R2×C2.

Примечание. Для правильной работы формирователя (рис. 4а) необходимо соблюдение следующих условий:

  1. Длительность запускающего импульса по порогу срабатывания должна быть меньше установленной длительности выходного импульса.
  2. Период следования запускающих импульсов должен быть больше, чем t.
  3. Величина сопротивления R3 должна быть больше, чем 0,5R1.

В отличие от всех схем, представленных выше, схема, представленная на рис. 4, может работать непосредственно на низкоомную нагрузку (при выходном токе ИМС таймера LM555D до 200 мА), на длинную линию (при соответствующем согласовании) или на емкостную нагрузку относительно большой емкости. При этом дополнительного драйвера при использовании этого формирователя не требуется. Сопротивление R5 предохранит ИМС от коротких замыканий по ее выходу, если формирователь удален от нагрузки. Резистор R4 является опционным. Основные недостатки такого формирователя — его низкочастотность и, что особенно важно, ограничения по периоду следования импульсов запуска.

Для решения проблемы выделения (детектирования) импульсов малой длительности (менее 1 мкс) из сильно зашумленных последовательностей импульсов можно использовать схемное решение, представленное на рис. 5а (ранее не публиковалось).

Рис. 5. Детектор импульсов малой длительности с заданной длительностью выходного импульса

Входная часть детектора импульсов малой длительности выполнена по принципу, описанному выше (рис. 3а), на компараторе DA1, но включенном без гистерезиса и с инвертированной полярностью выходного импульса. Порог срабатывания установлен относительно сложным делителем с хорошей фильтрацией, это позволяет минимизировать технологические трудности в настройке формирователя, как при серийном изготовлении, так и в месте эксплуатации.

Первый делитель, выполненный на резисторах R10 и R11, понижает напряжение от шины питания -5 В до напряжения -150 мВ. Второй делитель на резисторах R9, R7 и R8 понижает это напряжение до уровня -(13-60) мВ. Резистором R7 устанавливается порог чувствительности формирователя. Порог чувствительности определяет минимальный уровень сигнала, на который будет реагировать формирователь. Такая регулировка необходима, так как выставление минимально допустимого уровня напряжения срабатывания уменьшает общее время задержки формирователя. Этот параметр становится важен, если усилитель используется как составная часть измерительного устройства.

Например, рассматриваемая схема в ее модифицированном варианте (о нем будет сказано далее) предназначалась для формирователя отклика на радиолокационный запрос. По времени отклика определяется расстояние до объекта. Нетрудно подсчитать, что каждые 100 нс задержки — это ошибка в 15 м при измерении расстояния радиолокационным методом. Таким образом, при проектировании устройства ставилось требование по обеспечению минимальной и, главное, постоянной по времени задержки в формировании отклика. Поэтому при разработке схемного решения формирователя пришлось отказаться от использования фильтра низкой частоты (интегратора) по входу, да и сам характер принимаемого сигнала не позволял использовать такое решение.

Схема, приведенная на рис. 5а, в ответ на обнаружение импульса в структуре входного сигнала генерирует на выходе импульс строго определенной длительности. Рассматриваемый формирователь однозначно реагирует на любые импульсы. Это могут быть, например, затухающие гармонические колебания, пачки импульсов (радиоимпульс), импульсы неопределенной формы и длительности и т. п. Формирователь работает в широком динамическом диапазоне входных сигналов. При номиналах элементов, приведенных на рис. 4а, схема устойчиво преобразовывает входные «грязные» импульсы отрицательной полярности с амплитудой от 15 мВ до 5 В в положительные импульсы заданной длительности, совместимые по уровням с TTL и CMOS логическими микросхемами.

Входной сигнал поступает на положительный вход компаратора DA1. Если предыдущий каскад (например, видеоусилитель) имеет смещение по постоянному напряжению относительно нуля, то сигнал подается через дифференциальную цепочку C4, R6. Постоянная времени дифференциальной цепочки выбирается исходя из параметров входного сигнала. При отсутствии на входе сигнала ниже порога срабатывания на выходе DA1 присутствует высокий уровень напряжения. Если на вход поступит отрицательный импульс, то по его спадающему фронту (после пересечения порога срабатывания) выход компаратора переключается на низкий уровень и запускает ждущий мультивибратор, выполненный на ИМС типа 74HC123 [6] (DD1-1).

Ждущий мультивибратор начнет генерацию выходного импульса с длительностью, заданной элементами R2 и C3. Одновременно с началом генерации выходного импульса инверсный выход ждущего мультивибратора переведет выход компаратора DA1 на низкий логический уровень (с резистора нагрузки R12 будет снято напряжение). Таким образом, на время генерации ждущим мультивибратором выходного импульса никакие новые импульсы на вход запуска ждущего мультивибратора уже не поступают. Такое решение позволило повысить устойчивость схемы при наличии в структуре входного сигнала высокочастотных помех и отказаться от использования фильтра низкой частоты на входе.

Если резистор R12 будет подключен, как это обычно принято, к шине +5 В, то при поступлении на вход схемы пачек коротких импульсов (радиоимпульсов) с длительностью такой пачки более, чем заданная длительность выходного импульса, или длительного шумового сигнала с амплитудой более порогового значения на время действия такого входного сигнала формирователь будет находиться в состоянии логической единицы по выходу. При выбранном подключении формирователь будет генерировать импульсы с длительностью, заданной постоянной времени ждущего мультивибратора DD1-1, с интервалом, зависящим от частоты заполнения входного импульса. Какой из вариантов — более приемлемый, решается при рассмотрении конкретной проблемы.

Стабильность запуска формирователя обеспечивает тот факт, что необходимое время удержания импульса запуска на входе 74HC123 согласно [6] меньше, чем время задержки генерации импульса на ее инверсном выходе. Предлагаемое техническое решение из-за отсутствия в схеме фильтров низкой частоты по входу позволяет минимизировать время задержки генерации импульса. Оно практически равно суммарному времени задержки компаратора и времени задержки генерации импульса ждущим мультивибратором. При этом, что особенно важно, обе эти задержки практически постоянны и могут быть учтены вычислителем. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу схемы на рис. 5а, представлена на рис. 5б.

В качестве компаратора использована ИМС LM211D [4] производства Texas Instruments. Ее время задержки при переходе с высокого на низкий уровень находится на уровне 165 нс, и что особенно важно для ИМС этого изготовителя, оно мало зависит от величины скачка напряжения на входе по отношению к пороговому напряжению. Это очень удобно, так как, повторим, все стационарные задержки могут быть учтены в вычислителе. ИМС LM211D других изготовителей имеют худшие характеристики. Так, аналогичные ИМС производства ON Semiconductor имеют задержку 200 нс, и она сильно зависит от величины скачка входного напряжения.

Схема содержит ряд дополнительных элементов. Начальная установка при включении питания обеспечивается элементами R1 и C6. По этому входу можно осуществлять также внешнее управление включением формирователя. Защиту схемы по входу от бросков напряжения обеспечивают диод VD1 и токоограничивающий резистор R4. Они дополняют имеющуюся на входе ИМС LM211D собственную защиту. Диод VD2 типа BAS32L — опционный, его назначение — ускорить разряд паразитных емкостей на выходе компаратора DA1. Для этого можно использовать и маломощный диод Шоттки.

На рис. 6а приведен вариант детектора импульсов малой длительности (рис. 5а) с защитным интервалом от воздействия импульсов, период следования которых менее заданного, и при поступлении на вход схемы пачек коротких импульсов (радиоимпульсов) с длительностью такой пачки более, чем заданная длительность выходного импульса, или длительного шумового сигнала с амплитудами более порогового значения. Именно такая схема использовалась автором статьи на практике.

Рис. 6. Детектор импульсов малой длительности с заданной длительностью выходного импульса и защитным интервалом

Формирователь, представленный на рис. 6а, в отличие от схемы на рис. 5а позволяет исключить нежелательный повторный запуск формирователя при воздействии на его вход высокочастотных помех, длительность которых превышает длительность импульса, генерируемого ждущим мультивибратором на DD1-1.

Необходимый защитный интервал формируется дополнительным мультивибратором, выполненным на второй половине ИМС 74HC123 (DD1-2). Длительность защитного интервала задается элементами R14 и C10. Длительность защитного интервала выбирают согласно двум условиям. Во-первых, она должна превышать длительность импульса, формируемого ждущим мультивибратором на DD1-1. И во-вторых, она должна быть менее, чем ожидаемое время поступления следующего «полезного» импульса. Например, в проектируемом устройстве период их следования был заранее известен.

Схема работает аналогично схеме, описанной выше (рис. 5а), но с рядом изменений. Блокирование работы компаратора осуществляется так же: путем снятия напряжения с резистора R12, но ждущим мультивибратором на ИМС DD1-2. Мультивибратор на ИМС DD1-2 запускается по переднему фронту выходного импульса. (Как и ранее, его генерирует ждущий мультивибратор на ИМС DD1-1.) Таким образом, компаратор DAl будет заблокирован, но уже на заданный интервал времени, не зависящий от длительности выходного импульса, а основной мультивибратор на ИМС DD1-1 не будет блокироваться или перезапускаться во время действия этого защитного интервала.

Временная диаграмма работы такого варианта схемного решения формирователя представлена на рис. 6б. Верхняя трасса — это входной сигнал в виде радиоимпульса, ниже — выходной импульс с заданной длительностью. Как видно на диаграмме, входной импульс превышает выходной по длительности, но его перезапуск не происходит, так как выход компаратора находится в низком состоянии (трасса 3). Этот низкий уровень формируется мультивибратором DD1-2 (трасса 4, показан неинвертирующий выход).

Естественно, что схемы формирователей, приведенные на рис. 5а и 6а, могут быть адаптированы и для сигналов положительной полярности. Но питание компаратора DAl необходимо осуществлять от двухполярного напряжения. Это особенно важно, если формирователь должен детектировать сигналы малых уровней.

Литература

  1. Rentyuk V. Form positive pulses from negative pulses // EDN. July 14, 2011.
  2. Рентюк В. Формирователи импульсов // Электрик. 2013. № 6.
  3. 74HC132; 74HCT132 Quad 2-input NAND Schmitt trigger, NXP Rev. 3. Aug. 30, 2012.
  4. LM111, LM211, LM311. Differential comparators with strobes. Texas Instruments, Inc. Revised Aug. 2003.
  5. LM555 Timer. National Semiconductor Corp. July 2006.
  6. 74HC123; 74HCT123. Dual retriggerable monostable multivibrator with reset. NXP B. V. 2011.

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Формирующие линии. Формирование прямоугольных импульсов, цепочечные линии задержки

страница 20/26
Дата 02.07.2020
Размер 1.6 Mb.
Название файла Maslov_voprosy.docx
Тип Вопросы к экзамену
28.Формирующие линии. Формирование прямоугольных импульсов, цепочечные линии задержки.

Формирующие линии — искусственные длинные линии, состоящие из емкостей и индуктивностей. Они предназначены для формирования мощных высоковольтных импульсов прямоугольной формы при сравнительно маломощном ИП. Используют в радиолокационной технике-в импульсных модуляторах.

В различных импульсных устройствах часто необходима задержка импульсов во времени.

Основана на конечном времени распространения электромагнитной энергии вдоль линии и обусловлена переходными процессами в ее элементах.

Добавить комментарий