Тема 3.2 Електронні осцилографи. Призначення, класифікація, побудова.

3.1.4 Генератори імпульсних сигналів, використання, схеми, принцип дії

Імпульсні генератори – складають частину дуже багатьох електронних приладів, причому домінуюче місце вони займають в цифрових системах оброблення сигналів. Імпульсні генератори будуються на різних елементах. Основним вузлом генератора являється час задаючий ланцюгом на елементах L, R, C. Пасивні елементи застосовуються в сполученні з активними. Враховуючи паразитне розподілення опорів, індуктивності і ємностей і розділення параметрів електричних пристроїв, можна уявити собі всю складність обрахунку імпульсних генераторів для використання в широкому діапазоні частот.

Для спрощення інженерних розрахунків параметрів генераторів можна використовувати приближений метод представлений опором реактивних елементів. Залежність струм І, протікаючого через ємність С, від прикладеної напруги U визначається вираженим

Позначимо dU=IdRC, де RC – деякі еквівалентні опори ємності. Тоді Інтегруючи одержимо .

Аналогічні перетворення проведемо до індуктивності, виходячи із формули

.

Позначимо dl=UdqL, де qL – деякий еквівалентний провідник індуктивності. Тоді В результаті реактивні елементи зводяться до деякого активного аналогу. Тепер для розрахунку параметрів складного ланцюга, складаючогося із великої кількості елементів L і C, можна використовувати закон постійного струму, а вони, як відомо, більш доступні і прості.

Для очевидності проведених перетворень розглянемо прості і широко розповсюджені приклади. Почнемо з підключення джерела постійної напруги де RС ланцюги (Рис.1,а).

Рис.1 б

При заміні ємності еквівалентним опором одержимо формулу для струму і для напруги

Якщо врахувати, що , то одержимо ; при маємо . Тут при і при . Напруга на конденсаторі змінюється по закону, близькому до експоненціальному.

Тепер розглянемо підключений до джерела напруги RL ланцюга. Напруга на індуктивності буде виражатися формулою , де . Якщо , то , а при . Закон зміни цієї напруги близький до експоненціального: . Визначимо різницю між цими формулами . Графік залежності А₁ від  показаний на Рис.1,б. Як видно з графіка, максимум значення А₁ досягається призначення =2...3. Значення похибки А₁ можна зменшити, якщо ввести деякий емпіричний коефіцієнт. На тому ж Рисюнку проведені ламані для функції Враховуючи ці функції, можна значно підвищити точність інженерних розрахунків.

О сновні характеристики:

Блокінг-генератори називаються генератори прямокутних імпульсів, в яких позитивно обернений зв’язок проходить через трансформатор чи другий пасивний елемент. Як і мультивібратори, блокінг-генератори можуть робити як і в чекаючому, так і в автокосливальному режимі. Звичайно блокінг-генератори використовують для одержання коротких (десятки, сотні наносекунд чи одиниці мікросекунд) і потужних прямокутних імпульсів.

Рис. 2. Блокінг-генератори.

а – чекаючий на мікросхемі 119ГФ1;

б – чекаючий на потужнім польовому транзисторі;

в – автоколивальний на оптроні.

Елементи транзисторного блокінг-генератора входять в склад мікросхеми 119ГФ1 (Рис. 2,а), де тривалість імпульса визначається постійною часу R1C4 і параметрами імпульсного трансформатора. Інтервал між імпульсами запуску повинен бути набагато більший, ніж тривалість імпульса. На Рис. 2,б показана схема чекаючого блокінг-генератора на потужнім ПТ КП901. Дякуючи Рисому вихідному опору потужного ПТ (порядку 0, 7 ... 1 Ом) в схемі досягається висока крутість фронтів (передній фронт –1,6 нс, спад – 11 нс.). При даних, приведених в схемі, тривалість імпульса –60 нс., амплітуда – 25 ... 30 В. Крім імпульсного трансформатора елементом розв’язки, через який здійснюється позитивно обернений зв’язок, може бути і оптрон. Схема блокінг-генератора на оптроні приведена на Рис. 2,в.

Для одержання прямокутних імпульсів з крутими фронтами застосовують релаксаційні генератори, які можуть працювати в автоколивальному, чекаючому і синхронному режимах. За фізичними принципами генерації бувають мультивібратори і блокінг-генератори.

Генератори на логічних елементах

і операційних підсилювачах.

Імпульсний генератор (Рис. 24).

Вони формують на виході імпульсний сигнал з періодом 1 с. У генератора на Рис. 24,а, тривалість імпульсу залежить від часу розрядки конденсатора С1 через резистори R1 R2 і вхідного опору елемента DD1.1.

Рис. 24

Оскільки вхідний опір елемента DD1.1 може мінятися в рамках 30%, то тривалість вихідних імпульсів міняється при заміні мікросхеми DD1. Період слідування підстроюється перемінним резистором R1.

Вихідний сигнал генератора на Рис. 24,б має форму меандри. З виходів 1 і 2 знімають протифозні сигнали. Їх період слідування встановлюється перемінним резистором R1.

Мультивібратор (Рис. 25,а).

Він побудований на двох логічних елементах охоплених позитивним ОС. З виходу 1 і 2 знімають пара фазні сигнали. Частота вихідного сигналу залежить від ємності конденсаторів С1=С2=С; ця залежність показана на Рис. 25,б.

Рис. 25

Генератор на ОУ (Рис. 26).

З генератора можна знімати різні по формі сигнали: прямокутні з виходу ОУ DA2 і трикутні – виходу 1. Коливання в приладі виникають із за дії позитивного ОС через діоди VD1 і VD2. Частота коливань визначається формулою , де значення коефіцієнта К визначається складовими перемінного резистора R2.

Рис. 26

Кварцовий генератор імпульсів (Рис. 27).

Він забезпечує амплітуду сигналу 6В при частоті до 1 МГц. Генератор має керовану негативну ОС. В момент включення живлення вона не працює. В ОУ DA1 в результаті дії позитивної ОС через кварцовий резонатор ZQ1 швидко виникає коливання. Негативне ОС починає працювати, коли відкриються транзистори VT2 і VT3. Відкриття цих транзисторів визначається напругою на колекторі транзистора VT1. Ця напруга після включення живлення буде поРису збільшуватися із за зарядки конденсатора С2. Постійне часове наростання =R₅C₁h_21э, де h_21э – коефіцієнт передачі струму транзистора VT1.

Рис. 27

В перший момент на коллекторі транзистора VT1 напруга рівна – 15 В, а в наступні моменти збільшується. З моменту, коли напруга проходить нульове значення починають відкриватися транзистори VT2 і VT3 і починає працювати негативна ОС, стабілізуюча амплітуду і частоту вихідного сигналу.

Релаксатор на двох ОУ (Рис. 28).

Він представляє собою генератор прямокутних імпульсів. Частота вихідного сигналу визначається формулою

.

Її можна замінити в широких полі зору, регулююче управляючі напруги U₁ і U₂. МаксиРисьно допустимі опори резисторів визначаються вхідним опором ОУ.

Рис 28

Генератор ударного збудження (Рис. 29).

Генератор побудований на логічних елементах, які утворюють двохступінчатий підсилювач з позитивною ОС.

Рис. 29

В ланцюг ОС включений послідовний резонансний контур С1L1, настроєний на частоту 5 МГц. На виході формується пачка високочастотних імпульсів.

Генератори кадрової розвідки з цифровим управлінням (Рис. 30, 31).

Вихідні сигнали лічильників DD1 і DD2 вузла кадрової розвідки (Рис. 30). Надходять на ЦАП DA1. Сигнал пилоподібної форми формує ОУ DA2. Продовженіть прямого хода залежить від частоти вхідних імпульсів f_c і числа розрядів ЦАП, т. п. , де – максиРисьне число ступенів. При вихідній напрузі 10 В тривалість зворотного ходу складається менше 15 мкс. Не лінійність вихідної напруги залежить в основному від частоти ЦАП і рівна 0,3%. В цьому вузлі відсутня настройка числа ступенів в полярності вихідного сигналу.

Рис. 30

Рис. 31

Вузол кадрової розвідки, представлений на Рис. 8, побудований на 12 розрядах таких ключах. На відміну від попереднього пристрою тут використовують компаратор напруги, зібраний на ОУ DA2. Амплітуду вихідної напруги визначає поріг спрацьовування компаратора, який переключає лічильники DD1 і DD2 в початковий стан. Це значення встановлюється на неінвертуючому вході ОУ DA2. Число стрічок в кадрі N_k регулюється змінною напругою U_c; з округленим до цілого числа стрічок рівна . Висота ступені вихідної напруги . Перемінним резистором R2 можна центрувати вихідну напругу відносно нульового значення.

Не лінійність вихідної напруги не перебільшує 0,02% при тривалості сигналу Т0,5 с, а час зворотного шляху менше 7,5 мкс при амплітуді вихідної напруги 10 В.

Багатофункціональний генератор (Рис. 32).

Задаючий генератор зібраний на ОУ DA1 і DA2. Частоту вихідного сигналу генератора визначають номінали елементів R1 і С1 .

Рис 32

Форма сигналів у показаних точках показані на Рис. 32,б. В результаті взаємодії прямокутних і трикутних сигналів можна сформувати сигнали другої форми.

Генератор “пачки” імпульсів прямокутної форми (Рис. 33).

Пристрій “вирізає” пачку імпульсів після переключення перемикача SA1 нижнє по схемі положення (момент t₀ на Рис. 33,б).

Рис. 33

На одному із виходів елемента DD1.1 появляється напруга 5 В. В ланцюгу другого входу начинає протікати струм, який заряджає конденсатор С1. Коли напруга на конденсаторі дістане 1,5 В, на виході елемента DD1 появиться напруга низького рівня (момент t₁). Ця напруга керує елементами DD1.2 і DD1.3 і в результаті на виході формується пачка імпульсів тривалістю t₁–t₀. Тривалість пачки можна регулювати підборкую конденсаторів С1.

Циклічний генератор (Рис. 34).

Основою генератора служить лічильник DD2, який сумує вхідні імпульси до десяти. Імпульси від зовнішнього генератора походять на лічильник через логічний елемент DD1.3 або DD1.4. Якщо відкрити елюент DD1.3 то відбувається сумування вхідних імпульсів. По досягнутій сумі дев’яти слідуючий імпульс визиває появу сигналу на виході >9. Цей сигнал переключає RS – тригер на елементах DD1.1, DD1.2 а він закриває еленти DD1.3 і відкриває DD1.4.

Рис. 34

Вхідні імпульси в лічильнику будуть вираховуватися. Через десять вхідних імпульсів на виході менший від нуля лічильника появиться сигнал, який переключить RS – тригер в початковий стан. З цього моменту процес повториться. За один цикл роботи лічильника на виходах 1, 2, 4, 8 будуть формувати сигнали подвійного коду з наростаючим і спадаючим значенням.

Швидко працюючий генератор (Рис. 35).

Він складається з формувача пилоподібної напруги з ланцюгом С1 R4, якими керує ступінь на транзисторі VT1, емітерного повторювача на транзисторі VT2, ключовий ступінь на транзисторах VT3 – VT7 і діодів VD2 і VD3.

Рис. 35