Пороговые устройства

Пороговые устройства осуществляют переключение уровня выходного напряжения, если входной сигнал становится больше или меньше порогового напряжения. В отличие от ограничителя пороговое устройство имеет только два выходных уровня. К пороговым устройством относятся компараторы и триггеры Шмитта.

В компараторах порог срабатывания можно задавать любой, в том числе и изменяющийся во времени. Компараторы широко применяются в цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях. Выпускается большая номенклатура компараторов в микросхемном исполнении (К521СА1, К554СА2, К597СА1 и др.).

Рассмотрим работу компаратора на основе операционного усилителя (рис. 12). Опорное напряжение U_ОП представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение U_BX меняется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит скачкообразное изменение полярности напряжения на выходе операционного усилителя, например с U⁺_{ВЫХ max} на U^_{ВЫХ max} (рис. 13). Если U_ОП = 0, компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Схема, изображенная на рис. 12, применима тогда, когда U_ОП и U_ВХ не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений операционного усилителя. В противном случае они подключаются во входам операционного усилителя с помощью делителей напряжения.

Т риггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения. Подобные схемы могут быть выполнены на двух транзисторах или на операционном усилителе. Операционный усилитель в этом случае охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу с помощью резисторов R₁ и R₂ (рис. 14). Переключение схемы происходит при достижении U_ВХ напряжение (порога) срабатывания U_CP (рис. 15), а возвращение в исходное состояние – при снижении U_ВХ до напряжения (порога) отпускания U_ОТП. В частном случае, если U_ОП = 0 пороги срабатывания и отпускания вычисляется очень просто по закону Ома:

, .

Триггеры Шмитта используют для повышения крутизны фронтов импульсов, например для улучшения качества искаженных импульсов. Кроме того, они используются для преобразования входного напряжения произвольной формы в прямоугольное напряжение. На рис. 16 показаны два примера такого преобразования различными схемами триггеров Шмитта.

Умножители напряжения

Умножители напряжения преобразуют переменное напряжение в постоянное, причем выходное постоянное напряжение значительно превышает амплитуду входного переменного напряжения. Различают симметричные и несимметричные умножители напряжения.

Рассмотрим схему симметричного удвоителя напряжения (рис. 17). Диоды включаются в разные полупериоды входного напряжения. В те полупериоды, когда U_BX > 0, включается диод VD1 и заряжается конденсатор С₁, в другие полупериоды (U_BX < 0), включается диод VD2 и заряжается конденсатор С₂.

Напряжения на конденсаторах при холостом ходе приближаются к амплитудному значению U_{BX m} входного напряжения, поэтому U_ВЫХ  2U_{BX m}.

Другие преобразовательные устройства

Для радиотехнических устройств одним из важнейших видов преобразований высокочастотных колебаний является модуляция. Модуляция бывает амплитудная, частотная, фазовая, импульсная (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазо-импульсная).

Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.

Инвертор – это устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный.

Преобразователем частоты называют устройство, преобразующее переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты. В радиоэлектронных устройствах преобразованием частоты осуществляют функцию перемещения спектра принимаемого радиосигнала без нарушения ширины и формы спектра и с сохранением закона модуляции. Преобразователь частоты супергетеродинного приемника состоит из нелинейного преобразующего элемента (смесителя), генератора высокой частоты (гетеродина) и резонансной избирательной системы.

Для умножения частоты синусоидального немодулированного колебания его подают на вход нелинейного элемента. На выходе этого элемента получается искаженное колебание, содержащее частоты, кратные частоте основного колебания. Колебания нужной частоты выделяются фильтром.

Фазовращатели – устройства, которые изменяют фазовый сдвиг проходящего через них сигнала. По принципу работы фазовращатели можно разделить на плавные (аналоговые) и дискретные (цифровые или коммутационные), по способу подключения к внешней схеме – на отражательные и проходные. Фазовращатели могут быть пассивными (без усиления) и активными (с усилением).

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Ч астотный фильтр – это четырехполюсник, обладающий способностью сравнительно хорошо пропускать со входа на выход переменные токи, частоты которых лежат в определенных границах, и задерживать токи с частотами за этими границами. Полоса частот токов, которые проходят через фильтр, называется полосой пропускания (или полосой прозрачности); полоса частот токов, которые не проходят,  полосой задерживания (полосой непрозрачности, полосой заграждения).

Различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых перед обработкой сигналов осуществляют такое преобразование.

Ниже рассматриваются аналоговые фильтры. Такие фильтры строят на основе как пассивных (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов), так и активных элементов (биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей). Фильтры содержащие активные элементы называются активными.

Классифицируются фильтры также и по виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). На рис. 18 для различных фильтров показаны сплошной линией реальные АЧХ и пунктирной – идеальные АЧХ.

Для фильтра нижних частот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются (рис. 18, а). Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза f_С. обычно частоту среза определяют как частоту, на которой коэффициент передачи K = U_ВЫХ / U_ВХ уменьшается на 3 дБ (0,707 от максимального значения). Фильтром нижних частот является интегрирующая цепь (рис. 3), для которой частота среза равна f_C =1/(2RC).

Фильтр верхних частот (ФВЧ) пропускает сигналы верхних и задерживает сигналы нижних частот (рис. 18, б). Примером фильтра верхний частот является дифференцирующая цепь (рис. 1).

Полосно-пропускающий фильтр (ППФ) (сокращенно – полосовой фильтр) имеет полосу пропускания между частотами среза f_C1 и f_C2 (рис. 18, в). Сигналы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает. Полосовой фильтр можно получить, комбинируя ФНЧ и ФВЧ или используя резонансные схемы.

Полосно-задерживающий фильтр (ПЗФ) (или режекторный фильтр) не пропускает сигналы, лежащие в некоторой полосе, и пропускает сигналы с другими частотами (рис. 18, г).

Важно различать требования, предъявляемые к фильтрам силовой и информативной (информационной) электроники. Фильтры силовой электроники должны иметь как можно больший коэффициент полезного действия. Такие фильтры часто строят только на основе пассивных элементов. К фильтрам силовой электроники относятся сглаживающие фильтры (ФНЧ) вторичных источников питания, в которых обычно используются дроссели L и конденсаторы С. Такие фильтры бывают Г-образными, П-образными и Т-образными (рис. 19). При изменениях нагрузки Т-образные фильтры позволяют получить большее постоянство тока (ЭДС самоиндукции), а П-образные большее постоянство напряжения на выходе (за счет конденсаторов).

К недостаткам фильтров с дросселями следует отнести большие габариты, массу и стоимость. Поэтому часто в тех схемах, где протекают небольшие токи (информационная электроника) вместо дросселей ставят резисторы (например, интегрирующая и дифференцирующая цепи – это Г-образные RC-фильтры).

Для увеличения крутизны спада АХЧ используют последовательное (каскадное) соединение нескольких RC-фильтров (многозвенные фильтры лестничного типа).

Наряду с АЧХ фильтра важен и другой параметр – сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному (фазочастотная характеристика – ФЧХ). Другими словами, фильтр характеризуется комплексной характеристикой, обозначаемой обычно H(s), где s = j; s и Н – комплексные величины. Фаза важна постольку, поскольку сигнал, целиком умещающийся по частоте в полосе пропускания, будет искажен, если временное запаздывание при прохождении через фильтр не будет постоянным для разных частот. Постоянное время задержки (для всех частот) соответствует линейному возрастанию сдвига фазы в зависимости от частоты.

Рассмотрим фильтр нижних частот. Обычная интегрирующая цепь имеет спад АЧХ 6 дБ на октаву. Однако часто возникает необходимость в фильтрах с более плоским горизонтальным участком характеристики в полосе пропускания и более крутым склоном. Такая потребность существует всегда, когда надо отделить сигнал от близкой по частоте помехи.

Фильтры, АЧХ которых задается уравнением U_ВЫХ / U_ВХ , называют фильтрами с максимально плоской характеристикой или фильтрами Баттерворта. Число n называют порядком фильтра. Увеличение порядка фильтра n дает возможность сделать более плоским участок характеристики в полосе пропускания и увеличить крутизну спада.

Другой способ апроксимации АЧХ фильтров, связан с применением полиномов Чебышева Т_n: U_ВЫХ / U_ВХ , где  - константа, определяющая неравномерность характеристики в полосе пропускания (обычно  = 1 дБ). Фильтр Чебышева в зависимости от его порядка имеет несколько минимумов и максимумов АЧХ в пределах полосы пропускания.

Ф ильтр Чебышева, как и фильтр Баттерворта, имеют фазовые характеристики, далекие от идеала. Максимально линейную фазочастотную характеристику имеет фильтр Бесселя (Томсона), но его ослабление за пределами полосы пропускания (АЧХ) еще меньше, чем у фильтра Баттерворта.

Изобразим АЧХ фильтров указанных типов на рис. 20. Предположим, что все фильтры имеют одинаковый порядок и близкие коэффициенты передачи в полосе пропускания. Для того, чтобы характеристики были особенно наглядными, воспользуемся линейным масштабом.

В справочниках по фильтрам есть формулы и таблицы для всех стандартных характеристик фильтров.

На рис. 21 показан пример активного фильтра нижних частот второго порядка на основе операционного усилителя. Положительная обратная связь создается конденсатором С₁. Отрицательная обратная связь, сформированная с помощью делителя напряжения R и ( - 1)R, обеспечивает коэффициент усиления, равный . В зависимости от коэффициента  фильтр будет иметь разные АЧХ:  = 1,268 (Бесселя),  = 1,586 (Баттерворта),  = 2,234 (Чебышева с неравномерностью 3 дБ).

Поменяв местами сопротивления (R₁, R₂) с конденсаторами (C₁, С₂) можно получить активный фильтр верхних частот.

ГЕНЕРАТОРЫ

Существенной частью любого электронного устройства (часы, телевизор, осциллограф, ЭВМ, …) является генератор гармонических или каких-либо других колебаний. В качестве активных элементов в генераторах может быть использованы радиолампы, транзисторы, операционные усилители, полупроводниковые приборы на различных физических эффектах (туннельные и лавинно-пролетные диоды) или специальные электровакуумные приборы СВЧ (клистроны, магнетроны).