uch_posobie_2014_ver_11

10.9. Генератор ударного возбуждения

Генератор ударного возбуждения (ГУВ) используют для формирования радиоимпульсов с гармоническим заполнением и почти прямоугольной огибающей. Схема ГУВ приведена на рис. 10.18. Транзистор работает в ключевом режиме: при подаче на базу положительного напряжения он открыт (насыщен), большой коллекторный ток протекает через катушку индуктивности. Резистор RЭ служит для ограничения тока и предотвращает короткое замыкание источника питания на «землю». Колебаний в контуре нет.

Когда на базе положительное напряжение сменяется отрицательным, то транзистор переходит в закрытое состояние (в отсечку), коллекторный ток уменьшается практически до нуля. Однако ток в катушке индуктивности изза явления самоиндукции мгновенно прекратиться не может и направляется после закрытия транзистора на зарядку контурного конденсатора. В контуре возникают колебания частотой f0 1/ (2π LC), которые через раздели-

тельный конденсатор поступают на выход схемы. Из-за потерь энергии в элементах контура колебания постепенно затухают; чтобы предотвратить существенное снижение амплитуды выходного радиоимпульса, транзистор вновь открывают, и колебания в контуре срываются.

Таким образом, ГУВ преобразует прямоугольный видеоимпульс в радиоимпульс (рис. 10.19).

111

Обычно радиоимпульс содержит от трёх до десяти периодов заполнения. Особенностью формируемых радиоимпульсов является постоянство начальной фазы заполнения, всегда составляющей 0.

Выходной сигнал ГУВ часто преобразуют с помощью ограничителя в пачки прямоугольных импульсов.

10.10. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Наряду с генерированием прямоугольных видео- и радиоимпульсов с прямоугольной огибающей важной задачей электроники является создание пилообразных (линейно изменяющихся) напряжений, применяемых, в частности, в системах развертки изображений в осциллографах, телевизорах, мониторах компьютеров. Для формирования пилообразных импульсов используются генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН). В схемах этого типа обеспечивается поочередно медленный заряд конденсатора (при этом формируется «прямой ход» пилообразного напряжения длительностью

tп.х), а затем его быстрый разряд (осуществляется «обратный ход» длитель-

ностью tо.х). В некоторых ГЛИН, напротив, происходит быстрый заряд конденсатора и его медленный разряд. Главным требованием к ГЛИН является обеспечение линейности нарастания (или убывания) сигнала во время прямого хода. На втором месте – требование к минимизации времени обратного хода. Последнюю позицию занимает требование максимальной амплитуды импульсов.

Для переключения заряда-разряда используется электронный ключ (например, на транзисторе). Управляющим сигналом, меняющим состояние ключа, является прямоугольный импульс. Таким образом, ГЛИН не является автогенератором.

Поскольку заряд и разряд конденсатора осуществляются по экспоненте, то линейность пилообразного напряжения на выходе ГЛИН обеспечивается при использовании лишь начального участка экспоненты, хотя в этом случае амплитуда импульсов невелика. Наилучшую линейность можно обес-

печить, если заряжать конденсатор постоянным током, так как UС(t) = ∫IС(t)dt

и при IС(t) = I0 = const UС(t) = I0 t.

Простейшая схема ГЛИН, действующая по принципу использования начального участка экспоненты, приведена на рис. 10.20, графики, поясняющие ее работу, – на рис. 10.21. Схема формирует линейно нарастающее пи-

112

лообразное напряжение при закрытом транзисторе VT (в это время на базу транзистора подают отрицательный прямоугольный импульс). Постоянная времени цепи заряда равна СRК. Во время обратного хода транзистор под воздействием положительного входного импульса открывается и играет роль разрядного элемента конденсатора С.

Сопротивление RБ задает начальное смещение на базе транзистора, на которое накладывается входная импульсная последовательность; через это сопротивление течет небольшой базовый ток.

Для того чтобы генерируемый сигнал имел небольшие отклонения от линейно нарастающего, приходится ограничиваться начальным участком за-

рядной экспоненты. В результате амплитуда Uвых m пилообразных импульсов, вырабатываемых схемой, приведенной на рис. 10.20, оказывается существенно меньшей, чем напряжение источника питания ЕК, а коэффициент ис-

пользования питания (КИП) Кип = Uвых m/ЕК << 1, что является недостатком.

Более эффективно работает схема ГЛИН с эмиттерным повторителем рис. 10.22. На транзисторе VT1 собран собственно генератор линейно изменяющегося напряжения, по своему принципу действия идентичный схеме, представленной на рис. 10.20. Эмиттерный повторитель собран на транзисто-

ре VT2. Пилообразное напряжение Uлин(t) на конденсаторе С воспроизводит-

113

ся эмиттерным повторителем, собранным на транзисторе VT2 и поступает как на выход схемы, так и на правую обкладку большого конденсатора С0 ≈10С.

Конденсатор С0 к началу tпх быстро заряжается до напряжения ≈ЕК, так как во время обратного хода диод VD открывается и образуется цепь заряда ЕК–VD–С0 –RЭ с малой постоянной времени (RЭ обычно составляет десятки ом, см. 5.2).

Во время прямого хода напряжение на С0 изменяется медленно, так как диод закрывается, поэтому на левой обкладке С0 напряжение повторяет напряжение на правой обкладке (т. е. пилообразное), но оно больше или равно Uлин(t) + ЕК.

Левая обкладка С0 соединена с

Рис. 10.22 верхней точкой резистора RК, через который заряжается конденсатор С, а нижняя точка RК – с самим С. Поэтому к резистору в течение всего прямого хода пилообразного напряжения прило-

жена разность потенциалов (Uлин(t) + ЕК) – Uлин(t) = ЕК = const. Соответ-

ственно, и ток через резистор постоянен – ведь именно током через RК заряжается С.

Любопытной особенностью схемы является то, что во время прямого хода пилообразного напряжения основная ее часть оказывается отрезанной от источника питания. Тем не менее конденсатор С заряжается – с ним делится зарядом большая емкость С0.

Достоинством ГЛИН с эмиттерным повторителем является высокое качество формы сигнала и КИП, достигающий уровня 0,9…0,95.

Большую амплитуду линейно изменяющегося напряжения при относительно хорошем качестве «пилы» обеспечивает также схема ГЛИН, изображенная на рис. 10.23. В этой схеме применена стабилизация тока заряда кон-

денсатора С3 (или С3+С4). Напряжение на конденсаторе пропорционально интегралу от тока, подтекающего к его обкладкам, и, если ток постоянен, то

114

напряжение меняется по линейному закону.

Функцию стабилизатора тока выполняет транзистор VТ2, включенный последовательно с С3. Транзистор VТ1 работает в ключевом режиме. Напря-

жение на выходе ГЛИН примерно равно напряжению на емкости С3 (или

С3+С4). Благодаря стабилизации тока заряда оно меняется практически

линейно и Umax достигает значений, близких к напряжению источника питания Е.

Рис. 10.23

Сопротивление R3 (или R4) вместе с С3 и С4 определяет длительность

прямого хода «пилы», С1 и С2 выполняют функцию разделительных конденсаторов.

10.11. Генератор качающейся частоты

К числу сигналов, применяемых в автоматизированных системах контроля, а также в радиотехнике, относится ЛЧМ-сигнал. Аббревиатура ЛЧМ означает «линейная частотная модуляция», т. е. рассматриваемый сигнал представляет собой радиоимпульс с прямоугольной огибающей и плавно, точнее – по линейному закону, изменяющейся частотой заполнения. Форма сигнала приведена на рис. 10.24, а, зависимость частоты заполнения импульса от времени t – на рис. 10.24, б. Разность частот в начале и в конце импульса называют девиацией ∆f, а произведение девиации на длительность им-

пульса τи – базой сигнала b = ∆f τи. Частота заполнения может не возрастать, а убывать по линейному закону. Следует отметить, что увидеть четкую ос-

115

циллограмму ЛЧМ-сигнала невозможно, так как условием четкости изображения является дробно-кратное соотношение частот сигнала и развертки осциллографа, что при фиксированном значении периода развертки и непрерывно изменяющейся частоте заполнения постоянно нарушается.

Управление частотой заполнения ЛЧМ-сигнала осуществляется извне, с помощью управляющего сигнала: в этом плане имеется отдаленная аналогия между схемой формирования ЛЧМ-сигнала и электронным ключом, но в ключе объектом управления является не частота, а амплитуда сигнала и управление осуществляется не плавно, а скачкообразно.

Плавное управление каким-либо параметром сигнала в электронике называют модуляцией, а скачкообразное – манипуляцией.

На рис. 10.25 приведен один из вариантов построения формирователя ЛЧМ-сигнала. Эта схема называется генератором качающейся частоты (ГКЧ), в зарубежных публикациях – свип-генератором. В своей основе ГКЧ представляет собой RС-генератор с мостом Вина. Частота сигнала, формируемого в RС-генераторе, постоянна и определяется значениями сопротивлений и емкостей моста. Если изменять значение, скажем, R под воздействием управляющего сигнала, то будет меняться частота генерации f. Поскольку

управление значением R должно осуществляться с помощью электрического сигнала, то необходим элемент, обладающий требуемыми свойствами. Таковым является фоторезистор, освещаемый излучением светодиода с плавной зависимостью яркости от приложенного напряжения (в совокупности фоторезистор и светодиод образуют оптрон). Поскольку мост Вина, как правило, содержит два одинаковых сопротивления, то необходимо и два фоторезистора. Достоинством схемы ГКЧ с оптронами является отсутствие гальванической связи между цепью управляющего сигнала и остальным генератором.

116

Другой вариант ГКЧ предполагает управление значениями емкостей в мосте Вина. В качестве элементов С, меняющихся под действием приложенного электрического управляющего сигнала, используют варикапы.

В качестве управляющих сигналов обычно используют ЛИН. Таким образом, ГКЧ является генератором с подачей на вход внешнего сигнала.

Рис. 10.25

ГКЧ оказывается «встроенным» в целую цепочку генераторов – вначале генератор прямоугольных импульсов, управляющих процессами в ГЛИНе; затем сам ГЛИН и, наконец, ГКЧ. После ГКЧ обычно ставят еще и электронный ключ, не пропускающий на выход сигналы во время обратного хода ЛИН. Для ключа управляющим сигналом является последовательность прямоугольных импульсов с выхода самого первого из каскадов. Функциональная схема соединения генераторов приведена на рис. 10.26.

Рис. 10.26

117

Примером использования ГКЧ в автоматизированных измерениях служит измеритель АЧХ схем: ЛЧМ-сигнал подают на вход исследуемой схемы, а ЛИН, управляющее частотой генерации, используют для внешней синхронизации осциллографа. На экране последнего отображается АЧХ схемы в пределах значения девиации частоты ЛЧМ-сигнала.

11. ОСНОВНЫЕ ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ

Главной особенностью цифровой схемотехники является использование двухуровневых сигналов. В аналоговой схемотехнике сигнал может принимать любое значение в пределах от минимального до максимального значения. В цифровых схемах он должен принимать одно из двух нормированных значений. Оба значения сигнала имеют одинаковую полярность, при этом одно значение близко к нулю вольт, а второе имеет значение порядка единиц вольт (по модулю). Малый сигнал принято называть сигналом (уров-

нем) логического нуля и обозначать U0 (это отнюдь не означает, что U имеет показатель степени, равный нулю!). Большой сигнал называют сигналом (уровнем) логической единицы и обозначают U1. Нормированные значения

U0 и U1 для разных типов выпускаемых промышленностью микросхем приведены в табл. 11.4. Легко увидеть, что они различаются не только количественно, но и полярностью.

Применение двухуровневых сигналов позволяет существенно повысить надежность функционирования электронных схем. В аналоговых схемах любое отличие значения сигнала от требуемого является ошибкой, которая может привести к тяжелым последствиям. Напротив, в цифровых схемах небольшое отклонение сигнала от номинала ошибкой не является, если не перейден порог между нулем и единицей, как правило, равный

Uпор = 0,5(U0 + U1).

Например, в цифровой схеме приняты номинальные значения

U0 = 0,5 В, U1 = 4,5 В; тогда Uпор = 2,5 В. Если уровень U1 по каким-то причинам понизился до 2,55 В, т. е. остался выше порога, то электронное устройство все равно сработает правильно. Использование двухуровневых сигналов дает и второе преимущество – функционирование цифровых схем можно описать с помощью так называемой булевой алгебры – алгебры двоичных чисел. Само по себе двоичное счисление проигрывает традиционному десятичному, так как требует огромного количества разрядов (например,

118

трехразрядное десятичное число 129 в двоичном варианте имеет 8 разрядов). Однако возможность применения булевой алгебры существенно облегчает проектирование сложных электронных схем. От близости электронных схем к математическому аппарату пошло и их название – «цифровые».

Третье преимущество цифровой схемотехники перед аналоговой – малая номенклатура простейших схем, комбинацией которых являются все более сложные электронные устройства. Если рассмотрению модулей аналоговых схем в данном пособии посвящено девять глав (при этом за рамками остались некоторые относительно редко используемые схемы), то в цифровой схемотехнике таких модулей всего четыре: три логических схемы (И, ИЛИ и НЕ) и триггер. Впрочем, иногда триггер с раздельными входами и счетный триггер считают разными элементарными схемами, тогда число модулей доходит до пяти.

Следует отметить и недостатки цифровой схемотехники. Если в процессе работы значение сигнала преодолевает порог, то это может иметь катастрофические последствия, поэтому разработчики электронных изделий затрачивают массу усилий на то, чтобы корректировать такие ошибки. Малая номенклатура элементарных схем при ручном проектировании электронных устройств из-за «однообразия пейзажа» вызывает ошибки в соединении входов и выходов схем, для преодоления которых приходится разрабатывать те-

стовые сигналы. При проектировании следует также помнить, что уровни U0

и U1 для разных типов выпускаемых промышленностью микросхем различаются не только количественно, но и полярностью, поэтому создание электронных устройств на смешанной базе требует введения схем согласования уровней.

11.1. Логические элементы

Рассмотрим подробнее три логические схемы: И, ИЛИ и НЕ. В простейшем варианте схемы И (второе название – конъюнктор) и ИЛИ (дизъюнктор) имеют по два входа и один выход (входов может быть и больше, однако принцип действия схем при этом не изменяется). Количество входов часто включают в название схемы вместе с ее функцией: так, схему И с двумя входами обозначают как 2И. Условное обозначение схемы 2И приведено на рис. 11.1. В табл. 11.1, именуемой «таблица истинности», или «таблица состояния», показана связь сигнала на выходе схемы с входными. Поскольку каждый сигнал может принимать только два значения, то возможны четыре

119

комбинации входных сигналов. Очевидно, что уровень U1 на выходе схемы И достигается только при наличии такого же уровня одновременно на всех ее входах (и на первом входе, и на втором).

Рис. 11.1

Схема И является, в известной степени, аналогом электронного ключа. Однако все входные сигналы схемы И «равноправны», в то время как в аналоговых электронных ключах к управляющему сигналу предъявляют более жесткие требования (он должен быть двухуровневым), в то время как второй входной сигнал может быть любым. Таким образом, в цифровой электронике ключ эквивалентен схеме И, а в аналоговой – нет.

На рис. 11.2 приведено условное обозначение схемы 2 ИЛИ, а табл. 11.2 является ее «таблицей истинности» («таблицей состояния»). В рас-

Рис.11.2

сматриваемом случае также возможны четыре комбинации входных сигналов, однако в отличие от схемы И на выходе схемы ИЛИ U1 «появляется»,

если хотя бы на одном из входов имеет место такой сигнал (или если U1 по-

дан на несколько входов сразу). Таким образом, на выходе схемы ИЛИ U1

оказывается вероятнее, чем U0 – именно этот факт подчеркивает значок единицы внутри прямоугольника на условном обозначении схемы.

120