4. Формирующие цепи

При генерации импульсных сигналов различной формы необходимо формирование интервалов времени, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью формирующих цепей, содержащих реактивные элементы. Наиболее простыми и надежными являются RC-цепи. Они разделяются на прямые и обращенные. Прямые RС-цепи применяются в качестве передаточных и дифференцирующих, а обращенные – в качестве интегрирующих цепей.

Схема прямой RC-цепи приведена на рис. 25.4, а. Рассмотрим работу цепи по графикам напряжений на ее входе и выходе (рис 25.4, б). При анализе процесса формирования напряжения на выходе RC-цепи будем полагать, что внутреннее сопротивление источника входного напряжения равно нулю, а сопротивление нагрузки – бесконечно большое.

Пусть в момент t=0 на вход цепи (зажимы 1 -1^') поступает прямоугольный импульс амплитудой U_m и длительностью _u. В начальный момент времени конденсатор С разряжен и ток в RC-цепи определяется только амплитудой импульса U_m и сопротивлением R. Поэтому на зажимах 2 - 2^' создается напряжение, равное максимальному . По мере заряда конденсатора С ток в цепи, а значит, и напряжение на выходе будут экспоненциально убывать:

, (25.9)

где _ц = RC [С] – постоянная цепи.

К моменту окончания импульса (когда t = _u) выходное напряжение уменьшается до U_вых(_u), причем,

. (25.10)

После окончания импульса напряжение на входе цепи U_вх= 0. Поэтому конденсатор С начинает разряжаться через источник U_вх и резистор R. Ток разряда создает на выходе цепи отрицательный перепад напряжения, причем,

где

. (25.11)

Передаточная цепь должна передавать импульс от входа к выходу цепи с возможно меньшими искажениями его формы. Искажение формы оценивают максимальным относительным снижением вершины выходного импульса.

.

Из выражения (25.11) следует, что U тем меньше, чем больше U_вых(τ_u), а U_вых(_и) тем больше, чем меньше отношение _u / _ц. Если требуется, чтобы максимальное относительное снижение вершины импульса не превышало 1%, то постоянная времени цепи _ц должна превышать длительность импульса _u не менее чем в 100 раз. Таким образом, чтобы цепь, приведенная на рис. 25.4, а стала передаточной, необходимо выполнить условие

(25.12)

Так как емкость С рассматриваемой цепи не пропускает на выход постоянную составляющую источника питания, то за цепью закрепилось еще одно название – разделительная цепь.

Дифференцирующая цепь предназначена для деления импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача обратная ранее рассмотренной. Она решается тем лучше, чем больше отношение _u / _ц. Реально _u / _ц ≈ (10 ÷ 100). Выходное напряжение представляет два биполярных импульса, совпадающих во времени с фронтом и срезом входного сигнала (рис. 25.4, б). Амплитуда биполярных импульсов затухает экспоненциально в соответствии с (25.9). Длительность этих импульсов оценивается на уровне 0,05 U_m произведением _вых  3 _ц. Подбором _ц ее можно сделать сколь угодно малой.

Схема обращенной RC - цепи приведена на рис. 25.5, а. Работа этой цепи иллюстрируется графиками напряжений на рис. 25.5, б. При поступлении на вход такой цепи (зажимы 1 - 1^') прямоугольного импульса выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону,

. (25.13)

Время, необходимое для нарастания выходного сигнала до уровня 0,9U_m, составляет 2,3 _ц, а до уровня 0,99 U_m – 4,6 _ц.

По окончании входного сигнала напряжение на выходе обращенной цепи убывает также по экспоненциальному закону:

,

где

.

На начальном участке выходное напряжение изменяется по закону, близкому к линейному. Этот участок часто используется для линейного накопления напряжения сигнала, поэтому рассматриваемая цепь получила название интегрирующей. Чтобы цепь работала как интегрирующая, отношение _u/_ц должно быть значительно меньше единицы.