3 Генераторы импульсных сигналов

Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) – это устройства, предназначенные для формирования импульсов различной формы.

Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов на­пряжения.

Генераторы импульсных сигналов могут работать в одном из трех режимов: автоколе­бательном, ждущем или синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульс­ный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабаты­вают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Рассмотрим некоторые из генераторов импульсных сигналов.

3.1 Генераторы прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов делятся на муль­тивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут ра­ботать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Автоколебательные мультивибра­торы.

Такие генераторы могут быть построены на дискрет­ных, логических элементах или на операционных усили­телях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рисунок 4.50.

В данной схеме с помощью резисторов R_l и R₂ введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения в схеме электрических колебаний. Принцип работы мультивибратора поясняют временные диаграммы, приведенные на рисунке 4.51.

Рисунок 4.50 Схема автоколебательного мультивибратора на основе ОУ

В зависимости от на­пряжения на выходе (которое может быть равно либо +Е_пит, либо - Е_пит, где Е_пит - напряжения питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или на­пряжение U₊₁, или напряжение U₊₂.

Причем

Рисунок 4.51 Временные диаграммы работы автоколебательного

мультивибратора

Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, перезаряжается с постоянной времени τ =RC. На­пряжение U_c на емкости, равное напряжению U_ на ин­вертирующем входе, стремится либо к уровню + Е_пит (при U_вых = +Е_пит) либо уровню —Е_пит (при и_вых = — Е_пит). До момента времени t₁ U₊ — U_ = U₊₁ — U_c > О, следователь­но, ОУ находится в режиме насыщения и на его выходе удерживается напряжение +Е_пит. После достижения момента вре­мени t₁ эта разность меняет знак, что приводит к измене­нию напряжения на выходе ОУ на Е_пит. После момента времени t₁ емкость С перезаряжается, причем ее напряже­ние стремится к уровню —Е_пит. Очевидно, что до момен­та времени t₂ U₊ — U_=U₊₂ — U_c < 0, что и удерживает вы­ходное напряжение ОУ на уровне —Е_пит. Начиная с момента времени t₂ эта разность вновь меняет знак, про­исходит изменение напряжения U_вых и т. д. Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные им­пульсы напряжения. Период следования импульсов T оп­ределяется выражением:

где R" > R′.

Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе ОУ (рисунок 4.53), который иногда называют одновибратором.

Рисунок 4.53 Схема одновибратора (а) и временные диаграммы его

работы (б)

Нетрудно заметить, что эта схема аналогична схеме автоколебательного мультивибратора, но в нее введены диод D₂ (для осуществления ждущего режима) и цепь за­пуска на элементах С₁, R₃, D₁ (рисунок 4.53, а). Схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе отрицательное (примерно равно — Е_пит). Если бы по ка­кой-либо причине напряжение на выходе оказалось поло­жительным (+Е_пит), то в результате рассматриваемых даль­ше процессов изменилось бы состояние схемы.

В исходном состоянии (на выходе — Е_пит) диод D₂ от­крыт, напряжение на инвертирующем входе U_ пример­но равно нулю, а напряжение U₊ на неинвертирующем входе определяется выражением:

,

Диод D₁, подключений к неинвертирующему входу, закрыт. В момент времени t₁ входной сигнал открывает этот диод, на неинвертирующий вход подается положительный сигнал (на инвертирующем входе остается нулевой сигнал), и ОУ переходит в режим с положительным напряжением на выходе. После этого начинается заряд конденсатора С. Когда напряжение U₊₁, определяемого выражением , дифференциальный сигнал U₊ — U_ становится отрицательным и ОУ возвраща­ется в исходное устойчивое состояние (в таком состоянии дифференциальный сигнал отрицательный).

Из временных диаграмм (рисунок 4.53, б) следует, что лишь после момента времени t₃ можно подавать очеред­ной запускающий импульс.

Блокинг-генераторы.

Блокинг–генераторами называются устройства, предназначенные для получения мощных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч. Основным эле­ментом таких генераторов является импульсный транс­форматор. Блокинг-генератор может работать в автоколе­бательном, ждущем режимах или режиме синхронизации. Рассмотрим схему автоколебательного блокинг-генератора (рисунок 4.54, а). Во время паузы (выходное напряже­ние отсутвуюет) происходит перезаряд конденсатора по цепи E – R – W₂ с постоянной времени τ₁ = RC. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С (и, следо­вательно, на базе транзистора) становится равным нулю, транзистор начинает открываться (выходить из режима отсечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает появление сигнала положительной обратной связи (через обмотку трансформатора W₂), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения.

Рисунок 4.54 Схема автоколебательного блокинг-генератора

П ри этом конденсатор С перезаряжается по цепи W₂ – C – входное сопротивление транзистора r_вх с постоянной времени τ₂ = r_вх C. При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце кон­цов транзистор выходит из насыщения и начинает закрываться. Возникает сигнал положительной обратной связи, который скачкообразно переводит транзистор в за­пертое состояние. После этого энергия, запасенная в ин­дуктивности намагничивания, рассеивается на сопротив­лении нагрузки. Так как r_вх << R, то время нахождения транзистора в открытом состоянии t_u, а следовательно, и длительность импульса на нагрузке значительно меньше периода следования импульсов. Временные диаграммы работы автоколебательного блокинг-генератора приведе­ны на рисунке 4.55.

Рисунок 4.55 Временные диаграммы работы блокинг-генератора