книги из ГПНТБ / Фролкин В.Т. Импульсная техника учебное пособие для радиотехнических факультетов высших учебных заведений

ГЛАВА 9

АМПЛИТУДНАЯ СЕЛЕКЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

9. 1. ВВЕДЕНИЕ

Уровень (величина) импульсного сигнала (напряжения, тока) в некоторый момент времени является наряду с дли­ тельностью важнейшей его характеристикой. Поэтому про­ цессы формирования и измерения импульсов, использую­ щие, равенство или различие мгновенных значений уровней существующих одновременно сигналов, объединяемые часто термином «амплитудная селекция», встречаются в импульс­ ной технике очень часто.

Широкий круг устройств, используемых для целей амплитудной селекции, обычно разделяют на собственно амплитудные селекторы, амплитудные компараторы (уст­ ройства для сравнения амплитуд) и амплитудные дискрими­ наторы (схемы для различения амплитуд).

Амплитудным селектором, или ограничителем амплитуды, называется устройство, выходное напряжение которого оста­ ется постоянным, если уровень входного сигнала превышает заданные значения (пороги, или уровни, ограничения). Часть сигнала, лежащая в пределах уровней ограничения, должна воспроизводиться на выходе с минимальными иска­ жениями. Опорные напряжения, определяющие уровни ограничения, могут быть постоянной величины или сравни­ тельно медленно изменяться оператором или системой авто­ матического регулирования.

Амплитудные селекторы широко применяются, напри­ мер-, для формирования масштабных маркерных меток вре­ мени в осциллографах и индикаторах радиолокационных устройств. В этом случае в качестве исходного сигнала удобно использовать синусоидальные колебания высоко­ стабильного генератора, из которых путем многократного

300

двустороннего ограничения амплитуды и усиления полу­ чаются колебания трапециевидной формы с крутыми фрон­ тами. После дифференцирования этого трапециевидного напряжения можно получить последовательность коротких импульсов, соответствующих перепадам этого напряжения и совпадающих по времени с фиксированной фазой задаю­ щего синусоидального напряжения.

Амплитудным компаратором называется устройство, поз­ воляющее зафиксировать момент достижения сигналом неко­ торого заданного уровня. Обычно на выходе амплитудного компаратора в момент равенства мгновенного значения импульсного сигнала и постоянного или сравнительно медленно меняющегося управляющего (опорного) напряжения возникает крутой перепад напряжения (тока).

Основной областью применения амплитудных компара­ торов является точное измерение временных интервалов. Сравнение амплитуд используется также в релаксационных генераторах, рассмотренных в предыдущих главах книги.

Амплитудным дискриминатором называется устройство, предназначенное для получения выходного сигнала, вели­ чина и полярность которого определяются разностью мгно­ венных значений двух входных сигналов. В отличие от амплитудного компаратора в момент равенства входных сигналов выходное напряжение амплитудного дискримина­ тора близко к нулю.

Основной областью применения амплитудных дискрими­ наторов является управление электронными реле или сер­ вомеханизмами в системах автоматического регулирования. Так, например, в радиолокационных станциях при автома­ тическом сопровождении цели по угловым координатам «сигналы ошибки» с выхода амплитудных дискриминаторов непосредственно или через счетнорешающие устройства управляют серводвигателями вращения антенны.

9. 2. АМПЛИТУДНЫЕ СЕЛЕКТОРЫ

Идеальный амплитудный селектор должен иметь линей­ но-ломаную амплитудную характеристику, состоящую из двух прямолинейных участков: наклонного для неискажен­ ной передачи сигнала и горизонтального для отсечки части сигнала, лежащей выше или ниже заданного опорного уровня.

Ограничитель, характеристика которого изображена на рис. 9. 1,6, является двусторонним, а ограничители, имею­ щие характеристики, представленные на рис. 9. 1 в и а, называются соответственно ограничителем сверху, или по

301

максимуму, и ограничителем снизу, или по минимуму. Сигнал на выходе двустороннего ограничителя при подаче на его вход синусоидального напряжения показан на рис. 9. 1, а.

Одним из основных требований, предъявляемых к ампли­ тудному селектору, является четкость и стабильность излома линейно-ломаной характеристики ограничителя. В качестве

е(С)

г)

Рис. 9. 1. Действие амплитудных селек­ торов (ограничителей).

нелинейного элемента селектора применяется электронная лампа, полупроводниковый диод или триод (транзистор). Характеристики этих приборов в различной степени отли­ чаются от идеальных и применяются в зависимости от кон­ кретных требований к работе ограничителя. Наиболее широко используется селектор с применением электронных диодов, характеристики которых являются наиболее линей­ ными и стабильными. Характеристики диодов при малых

Т — абсолютная температура катода.

302

Из этого соотношения видно, что для оксидных като­ дов, у которых Т = (1000 -4- 1100)°К, изменению анодного

напряжения на +0,2 в соответствует изменение тока в 10 раз. Изменение напряжения накала «у вызывает сдвиг харак­

теристик вправо или влево по оси напряжения (рис. 9. 2), так что для данного значения тока I изменению напряжения

усиление сигнала. Однако при этом форма сигнала иска­ жается за счет нелинейности характеристик ламп. Кроме того, стабильность точки излома, определяемая характеристиками многосеточных ламп, как правило, ниже, чем у диодов.

Влияние емкостей, шунтирующих нагрузку или нели­ нейный элемент, может существенно изменить характери­ стики амплитудного селектора, в особенности при высоких скоростях нарастания амплитуды формируемого сигнала.

Диодные селекторы. Принципиальная схема. Диодные селекторы обычно делят на параллельные и последователь­ ные в зависимости от того, снимается ли выходное напряже­ ние с диода или же с сопротивления /? (рис. 9. 3).

В схемах односторонних ограничителей (а, б, г, д) поляр­ ность включения диодов определяет характер ограничения (ограничение сверху или снизу), а величина и полярность источника опорного напряжения Е определяет уровень ограничения.

Двусторонние ограничители (рис. 9. 3, в и в), состоящие по существу из двух односторонних,' обеспечивают прохож­ дение сигнала в пределах между двумя уровнями ограничения.

303

источника Е2, а нижний -°- соотношением:

Рис. 9. 3. Схемы диодных селекторов (ограничителей).

Во всех приведенных на рис. 9. 3 схемах ограничителей предполагается применение низкоомных источников опор­ ного напряжения. Это требование весьма просто выпол­ няется для последовательных ограничителей, у которых источник опорного напряжения Е имеет общую клемму с сопротивлением R.

На рис. 9. 4 изображены практические схемы последо­ вательных ограничителей с использованием делителей на­ пряжения.

Основные соотношения. Если допустить, что в схемах параллельных ограничителей (рис. 9. 3, а и б) сопротивле­ ние нагрузки много больше сопротивления R, то при запер­ том диоде выходное напряжение и (f) по форме совпадает с приложенным напряжением е (f), отличаясь от него на величину Е источника опорного напряжения.

304

При отпирании диода выходное напряжение определяется отношением B/Bije где 7?, внутреннее сопротивление диода,

в соответствии с соотношением

в параллельном ограничителе имеет место лишь при В^'В -> О

Рис-. 9. 4. Практические схемы диодных селекторов (ограничителей).

и на практике не может быть осуществлено. Это является главным недостатком параллельных ограничителей и обу­ словливает их применение лишь в специальных случаях. Кроме того, как указано ниже, увеличение сопротивления В ухудшает частотную характеристику ограничителя.

Последовательные ограничители (рис. 9. 3, г, д) обеспе­ чивают более четкое ограничение, поскольку обратное сопротивление диода на несколько порядков превышает величину сопротивления В. При открытом диоде выходной сигнал определяется соотношением:

Компенсация сдвига характеристик. Для уменьшения ошибки, связанной со сдвигом характеристик, вследствие изменения напряжения накала и старения ламп приме­ няется включение компенсирующего диода. На рис. 9. 5 представлены схемы последовательных ограничителей с при­ менением компенсирующего диода Дк. В качестве компен­ сирующего диода обычно используется вторая половина

двойного диода, первая половина которого служит огра­ ничителем. Напряжение анод-катод компенсирующего диода приблизительно соответствует порогу срабатывания диодаселектора.

При изменении накала или при старении лампы разность потенциалов анод-катод компенсирующего диода будет изме­ няться, изменяя соответственно падение напряжения на

Рис. 9. 5. Применение компенсирующего диода для повышения стабиль­ ности порога ограничения.

сопротивлении 7? и смещая опорный уровень. Нетрудно видеть, что смещение характеристик селекторного диода будет изменять порог срабатывания в противоположном направлении. За счет такой компенсации стабильность уровня ограничения может быть повышена в 5—10 раз.

Влияние паразитных емкостей. Рассмотрим вначале влия­ ние паразитных емкостей на работу последовательного огра­ ничителя при прямоугольном входном напряжении (рис. 9. 6).

Как видно из схемы, емкость Сак является межэлектрод­ ной емкостью диода; емкость Со включает емкость монтажа, нагрузки, а также емкость катод — нить какала, если нить накала заземлена.

Влияние паразитных емкостей сказывается в появлении на выходе положительных и отрицательных перепадов

306

На рис. 9. 6, д и е представлены осциллограммы, соответ­ ствующие уравнениям (9. 2) и (9. 3) для двух случаев соот­ ношений параметров схемы и амплитуды приложенных импульсов.

Поскольку < Л?, длительность фронта положитель­ ного перепада много меньше, чем отрицательного. Длитель­

1—

Искажение формы селектирующего напряжения, в част­ ности появление положительных и отрицательных пиков, из-за воздействия паразитных емкостей является сущест­ венным недостатком последовательного диодного ограни­ чителя.

При параллельном ограничении (рис. 9. 7) паразитная емкость Со включена между выходными клеммами и скач­ ков выходного напряжения не происходит.

Во время положительного импульса е = Е' (см. 9. 7, в) диод открыт и напряжение на выходе приблизительно

308

При положительном перепаде напряжения е емкость Со перезаряжается по экспоненте с постоянной времени CgR, стремящейся к напряжению Е' и прекращающейся при открывании диода. Длительность заднего фронта Тф, вы-

малым. При этом селектирующее действие ограничителя, как это видно из предыдущего рассмотрения, ухудшается.

Уменьшения искажения формы выходных сигналов за счет паразитных емкостей можно добиться, применяя полу­ проводниковые диоды, имеющие пренебрежимо малые меж­ электродные емкости.

Селекторы на триодах и пентодах. Как уже упоминалось выше, селекторы на триодах и пентодах’применяются в тех случаях, когда не предъявляется жестких требований к ста­ бильности порога ограничения и форме выходного сигнала, а также существенную роль играет возможность усиления сигнала лампой.

Ограничение сеточными токами. Схема триодного огра­ ничителя сверху с использованием сеточных токов приве­ дена на рис. 9. 8. Сеточная цепь лампы по существу пред­ ставляет собой схему параллельного ограничителя, про­ пускающего в анодную цепь сигналы с амплитудой, лежа­

309