4. Нелинейные преобразования сигналов

4.1. Ограничение

Определение. Под ограничением сигнала (напряжения или тока) понимается нелинейная операция, в результате которой значения сигнала не выходят за пределы определенного интервала значений, называемых уровнями или порогами ограничения.

Основные типы ограничения:

1. ограничение сверху, или по максимуму, когда сигнал на выходе схемы не может превосходить некоторый уровень;

2. ограничение снизу, или по минимуму, когда сигнал на выходе схемы не может быть меньше некоторого уровня;

3. двустороннее ограничение, когда выходной сигнал не выходит за пределы определенного интервала значений.

Основная характеристика ограничителя напряжений – зависимость выходного напряжения от входного напряжения. Рис. 4.1 показывает действие трех типов ограничителей: по максимуму – а, по минимуму – б, двустороннего – в.

Рис. 4.1

В случае двустороннего ограничителя форма получающихся импульсов тем ближе к прямоугольной, чем больше амплитуда входного гармонического сигнала. Такие устройства часто применяют для получения трапециидальных импульсов из гармонических колебаний. На рис. 4.2 показаны схемы простейших диодных ограничителей. Рис. 4.2, а – схема последовательного типа, характеристика этого ограничителя соответствует рис.4.1, а. Рис. 4.2, б – схема параллельного типа, характеристика этого ограничителя соответствует рис.4.1, б. Сопротивление резистора выбирается из условия:, гдеи- сопротивление диода при включении в прямом и обратном направлении, соответственно. На практике- порядка сотен Ом,- порядка сотен – тысяч кОм. При протекании тока через диод в прямом направлении практически все напряжение гармонического сигналаи напряжения смещенияпадает на сопротивлении, а в обратном – на диоде.

Рис. 4.2

На рис. 4.3 приведена схема анодно-сеточного ограничителя на триоде. В отличие от обычного резистивного усилителя здесь в сеточную цепь включено большое сопротивление МОм.

Рис. 4.3

Рис. 4.4 поясняет работу схемы рис. 4.3 в режиме двустороннего ограничения.

Рис. 4.4

Верхний уровень ограничения наступает при , где- напряжение между точкой 1 и катодом. Привходная часть схемы действует как параллельная схема диодного ограничителя по максимуму. Чтобы получить такую схему, надо на рис. 4.2, б диод включить в противоположном направлении, а источник- закоротить. Роль диода выполняет промежуток сетка – катод, обладающий в открытом состоянии сопротивлениемпорядка нескольких сотен Ом. Так какв течение части периода колебаний, когда, напряжение на аноде лампыпрактически равно нулю, и токостается неизменным. Если, где- напряжение запирания лампы, то ток. Итак, изучаемое устройство ограничивает части входного сигнала, расположенные левее пунктирной линиии правее оси. Максимально допустимая частота входного сигнала ограничена значением порядка 10 кГц из-за наличия последовательно соединенных большой входной емкостии большого сопротивления.

Рассмотренные схемы являются ограничителями мгновенных значений. Они широко применяются в устройствах формирования импульсов. Другая группа ограничителей называется ограничителями амплитуды. На их вход обычно подают колебания с паразитной амплитудной модуляцией. Задачей ограничения является уменьшение уровня амплитудной модуляции. Чтобы из схемы рис. 4.3 получить амплитудный ограничитель, достаточно заменить сопротивление параллельным колебательным контуром. Контур должен быть настроен на частоту входного сигнала. Крутизна фронтов импульсов анодного тока влияет на амплитуду первой гармоники этого тока. Поэтому напряжение, снимаемое с высокодобротного контура, оказывается слабо модулированным по амплитуде на частоте колебаний первой гармоники.