Вместо множительного элемента может применяться коммутатор, управляемый опорным сигналом (рисунок 3.10,а). В этом случае зависимость выходного сигнала от амплитуды опорного сигнала исключается.
Uвх=Umsin( t+ ) |
Uвых Uвх |
|
Uоп=Usin t |
|
Uв |
Uвх |
|
Uоп |
Uоп |
t |
|
|
а |
б |
Рисунок 3.10 - Примеры фазовых детекторов
На рисунок 27,б приведен пример ФЧВ с коммутирующим элементом, выполненным на транзисторах. Эта схема применена в судовом рулевом комплексе «Печора». Транзисторы открываются на полпериода опорного напряжения Uоп, при этом входное напряжение Uвх заряжает конденсатор. Если
напряжения Uвх и Uоп в фазе, Uвых > 0, если в противофазе, Uвых < 0. Оба транзистора одного типа. Один транзистор работает в прямом режиме, другой в
обратном. При изменении полярности Uвх режимы обоих транзисторов меняются, но их суммарное сопротивление остается тем же самым.
Для исключения переменной составляющей на выходе детектора постоянная времени ФНЧ должна быть много больше периода сигнала Т. Чтобы обеспечить быструю реакцию детектора на изменение фазы, вместо ФНЧ применяют интегратор с временем интегрирования, кратным периоду Т. В момент окончания интегрирования выходной сигнал снимается с интегратора в виде дискретного отсчета, а интегратор сбрасывается. В современных информационно-измерительных и управляющих системах операции умножения (коммутации) и интегрирования, необходимые для детектирования, часто выполняются цифровыми устройствами.
Частотные детекторы можно отнести к двум основным типам. В детекторах первого типа выходной сигнал зависит от отклонения частоты входного сигнала от эталонной частоты, определяемой настройкой колебательного контура, в детекторах второго типа – от отклонения частоты входного сигнала от частоты эталонного генератора. В системах автоматики обычно применяют детекторы первого типа. Эталонный контур настраивается так, чтобы эталонная частота э находилась на линейном участке АЧХили ФЧХ-контура. Изменение частоты входного сигнала вызывает пропорциональное ему изменение амплитуды и фазы сигнала на резонансном контуре и измеряется амплитудным или фазовым детектором.
3.5Генераторы колебаний
62
В зависимости от вида колебаний различают генераторы импульсов и гармонических сигналов. В системах автоматики генераторы периодических последовательностей импульсов применяются в основном как тактовые для синхронизации работы устройств. Синусоидальные сигналы необходимы для измерительных устройств, работающих на переменном токе.
Генераторы колебаний обычно строятся на основе усилителей с положительной обратной связью. Условием существования незатухающих колебаний (автоколебаний) являются так называемые баланс амплитуд и баланс фаз: колебание, пройдя замкнутый контур, «возвращается» с той же самой амплитудой и с той же фазой. Это условие выполняется, если есть частота, на которой разомкнутый контур имеет единичный коэффициент усиления по амплитуде и вносит фазовый сдвиг, кратный 2 . Для надежного возбуждения колебаний желательно, чтобы коэффициент усиления был больше 1. Рост амплитуды колебаний автоматически прекратится при выходе на нелинейный участок характеристики усилителя, где коэффициент усиления меньше. Чем уже полоса частот, в которой есть баланс фаз и амплитуд, тем колебания ближе по форме к гармоническим. Если баланс есть в широкой полосе частот, колебания имеют вид последовательности импульсов.
Примеры генераторов импульсов на логических элементах типа инвертор, приведены на рисунок3.11. Схема а содержит цепи положительной (через конденсатор) и отрицательной (через резистор) обратных связей.
а |
|
|
U1 |
U2 |
U3 |
|
|
+ |
|
U1 |
|
U2 |
U3 |
б |
VD1 |
VD2 |
VD3 |
U1 |
|
Uп |
t |
U2 |
t |
U3 |
t |
Рисунок 3.11 - Генераторы импульсов на логических элементах
Пока U2 = 0 и U3 = 1, происходит заряд конденсатора, и напряжение U1 растет. Как только оно достигнет значения Uп – порога срабатывания инвертора, сигналы U2 и U3 инвертируются, перепад напряжения U2 проходит через конденсатор на вход VD1, изменяя скачком напряжение U1. Начинается разряд конденсатора до тех пор, пока напряжение U1 не достигнет порога Uп, когда произойдет инвертирование сигналов U2 и U3 .
В схеме б контур положительной обратной связи образован элементами VD1, C, VD3. Конденсатор заряжается от VD2 при U2 = 0 до тех пор, пока напряжение U3 не достигнет значения Uп, после чего напряжения U1 и U2 инвертируются и начинается разряд конденсатора.
Пример генератора импульсов на операционном усилителе дан на рисунок 3.12. Если Uс < Uп , то Uвых E+ и напряжение Uс растет. Как только выполнится условие Uс > Uп, выходное напряжение, а следовательно и
63
напряжение Uп, сменят полярность и напряжение Uс начнет уменьшаться до выполнения условия Uс < Uп и т.д.
R
|
|
+E |
|
Uвых |
|
Uc |
|
Uп |
Uп |
R1 |
|
|
R2 |
-E |
Uc |
t |
Uвых |
|
Рисунок 3.12. Генератор импульсов на операционном усилителе
Принцип работы RC-генератора гармонических колебаний поясняет рисунок 3.13,а. Для достижения баланса фаз при использовании инвертирующего усилителя (У) в цепь ОС устанавливают фазовращатель (ФВ), вносящий фазовый сдвиг в 180 . Сдвиг в 180 на определенной частоте, называемой квазирезонансной, можно получить, например, соединив последовательно три интегрирующих (или дифференцирующих) RC-цепочки. Если применены дифференцирующие цепочки, коэффициент усиления растет с увеличением частоты, а если применены интегрирующие цепочки, коэффициент усиления растет с уменьшением частоты. При большом коэффициенте усиления условия возбуждения колебаний выполняются не только на квазирезонансной частоте, поэтому форма колебаний отличается от синусоидальной.
У |
ФВ |
|
С1 |
R1 |
|
|
|
С2 |
R2 |
R |
R0 |
|
|
а |
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
Рисунок3.13 - RC-генератор
При неинвертирующем усилителе (рисунок3.13,б) цепь положительной ОС не должна вносить фазового сдвига на частоте генерации. Таким свойством обладает «мост Вина» – Г-образная RC-цепочка, обведенная пунктиром. На частоте с нулевым фазовым сдвигом ее усиление максимально. Более низкие частоты хуже проходят через конденсатор С1, более высокие ослабляются конденсатором С2. Благодаря частотной избирательности моста Вина условие возбуждения колебаний выполняется в более узкой полосе частот, форма колебаний ближе к синусоидальной, а частота стабильнее. Еще выше частотная избирательность резонансного контура.
Примеры генераторов гармонических колебаний с резонансным контуром приведены на рисунок3.14. В схеме рисунок3.14,а обратная связь снимается с отдельной обмотки (трансформаторная связь). Конструктивно проще генераторы, выполненные по схеме «трехточки». В них контур имеет три точки подключения по переменному напряжению к трем выводам транзистора (база, эмиттер, коллектор). В индуктивной трехточке ОС снимается с отдельного отвода катушки индуктивности, в емкостной трехточке (рисунок3.14,б) – с делителя, образованного конденсаторами контура (С1, С2).
64
+ |
|
+ |
|
|
L1 |
C1 |
L2 |
C3 |
L1 |
|
|
|
C1 |
C2 |
а |
|
б |
|
|
Рисунок 3.14 - Примеры генераторов с резонансным контуром
Для возбуждения генератора необходимо, чтобы реактивные сопротивления элементов, включенных между коллектором – эмиттером и базой – эмиттером, были одинакового знака, противоположного знаку реактивного сопротивления элемента, включенного между коллектором и базой.
Этими элементами могут быть не только одиночные конденсаторы или катушки индуктивности, но и их сочетания, образующие контуры. На частоте ниже резонансной реактивное сопротивление последовательного контура имеет емкостный характер, на частоте выше резонансной – индуктивный. У параллельного контура характер изменения реактивного сопротивления противоположный.
Для повышения стабильности частоты генератора применяют кварцевые резонаторы. Кварцевая пластина, как упругое тело, обладает резонансной частотой механических колебаний. Деформация пластины вызывает появление на ее поверхности зарядов, а под влиянием электрического поля происходит деформация (прямой и обратный пьезоэффекты). При совпадении частоты приложенного к пластине напряжения с ее собственной частотой возникает резонанс, усиливающий колебания тока во много раз. Стабильность параметров и добротность кварцевого резонатора много выше, чем LC-контура. Поэтому выше стабильность собственной частоты резонатора и слабее ее зависимость от комплексного сопротивления подключенных к резонатору элементов. В схему генератора кварцевый резонатор включают разными способами, например, в цепь обратной связи или как индуктивное сопротивление в схеме трехточки, чаще емкостной. Значение собственной частоты кварцевой пластинки определяется ее размерами и типом среза – ориентацией пластинки относительно осей кристалла. Тип среза влияет на чувствительность собственной частоты к температуре. В зависимости от назначения генератора применяют разные типы срезов.
Вопросы для самоконтроля:
1.Что такое компаратор?
2.Изобразите выходную характеристику триггера Шмидта.
3.Для чего необходима коррекция динамических характеристик?
4.Напишите передаточные функции интегрирующей и дифференцирующей цепочки.
65
5.Для чего нужен фазовращатель?
6.Каково назначение фильтра?
7.Какие бывают фильтры?
8.Расскажите о ФНЧ.
9.Расскажите о ФВЧ.
10.Какие функции выполняет детектор?
11.Опишите принцип работы амплитудного детектора.
12.Как работает фазовый детектор с суммированием входного и опорного сигналов?
13.Приведите примеры генераторов импульсов на логических элементах.
14.Опишите принцип работы RC-генератора гармонических колебаний.
15.Приведите примеры генераторов гармонических колебаний с резонансным контуром.
Литература: [1-9]
66