Формирование импульсов яс-цепями

Рассмотрим прохождение прямоугольных импульсов через RC-цепь, показанную на рис. 9.7. Выходное напря­жение u₂,выделяемое на резисторе R,определяется выра­жением

.

Из рис. 9.7 видно, что и_С = u₁ — u₂, поэтому

. (9.2)

Рис. 9.7. Электрическая схема RC-цeпи

Рис. 9.8. Графики напря­жений на входе (а) и вы­ходе (б) дифференцирую­щей RC-цeпи

Дифференцирующие цепи.Если и₂ « и₁,то выражение (9.2) можно записать в виде

Таким образом, вRС-цепи, показаннойна рис. 9.7, выходное напряжение пропорционально производной по времени от входного напряжения. Такую RC-цепьназы­вают дифференцирующей. При поступлении прямо­угольного импульса навход дифференцирующей цепи (рис. 9.8, а) на ее выходеформируются остроконечные импульсы положительной иотрицательной полярности (рис. 9.8, б).

Длительность полученных на выходе остроконечных импульсов зависит от уровня, на котором она опреде­ляется. Например, на уровне 0,5 от максимального значе­ния она рассчитывается по формуле

,

где τ = RC — постоянная времени электрической цепи. Следовательно, для уменьшения длительности импуль­сов необходимо уменьшать постоянную времени диффе­ренцирующей цепи. Однако на практике уменьшение по­стоянной времени в цепях ограничивается тем, что у входных импульсов фронт и срез не являются строго пря­моугольными. Постоянная времени дифференцирующей цепи оказывается сравнимой (или превышает) с длитель­ностью фронта и среза входного импульса, поэтому диф­ференцирования во время действия фронта и среза вход­ного импульса не происходит. Вследствие этого обычно выбирают постоянную времени дифференцирующей цепи не менее 0,3t_y.

С помощью дифференцирующих цепей удается полу­чать импульсы длительностью до 0,1 мкс.

Дифференцирующие цепи применяются для формиро­вания коротких импульсов из прямоугольных импульсов большой длительности, а также для выполнения операции дифференцирования в аналоговых ЭВМ.

Разделительные цепи.Если в RC-цепи(рис. 9.7) τ » t_и, то за время действия входного импульса (рис. 9,9, а) конденсатор С зарядится незначительно (рис. 9.9, б).

Выходной импульс и₂ = и₂ — и_С отличается от входного некоторым спадом (завалом) вершины (рис. 9.9, в). После прекращения действия входного импульса конденсатор С начнет разряжаться через внутреннее сопротивление источника и резистор R. В выходном импульсе появится отрицательный выброс, убывающий по экспоненциаль­ному закону от U₀ до 0.

Чем сильнее неравенство τ » t_и, тем меньше отлича­ется выходной импульс от входного. Такую RC-цепь на­зывают переходной или разделительной. Пере­ходные RC-цепи применяют для связи между каскадами или разделения каскадов по постоянному току.

Интегрирующие цепи.Если в рассмотренной на рис. 9.7 RC-цепи выходное напряжение снимать не с резистора R,

Рис. 9.9. Графики напряжений на участках разделительной RC-цепи:

а — на входе; б — на конденсаторе; в — на выходе

Рис. 9.10. Схема интегри­рующей цепи

а с конденсатора С, то из выражения для тока следует

.

Интегрируя данное уравнение, получим

. (9.3)

Если и_С« U₁,что имеет место при и_С « и₂, то уравне­ние (9.3) можно записать в виде

.

Такие RС-цепи называются интегрирующими.

Для удобства снятия выходного напряжения и₂с кон­денсатора С RC-цепъвыполняют так, как показано на рис. 9.10. Условие и_С« U₁ означает, что за время действия входного импульса конденсатор заряжается незначи­тельно. Следовательно, для выполнения операции интегри­рования необходимо соблюдение условия τ » t_и.

Интегрирующие цепи применяются для получения линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов, удли­нения (увеличения длительности) импульсов, фильтра­ции переменной составляющей выпрямленного напряже­ния, выполнения математической операции интегриро­вания в аналоговых ЭВМ и т. п.

АМПЛИТУДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ

В рассмотренных RС-цепяхпараметры элементов R и С не зависят от приложенных к ним токов и напряже­ний. Такие цепи называют линейными цепями или линейными четырехполюсниками. Для форми­рования импульсов применяются также нелинейные четырехполюсники. В них параметры всех или не­которых элементов оказываются зависящими от амплитудных значений токов и напряжений. К нелинейным четырехполюсникам относятся амплитудные ограничи­тели.

Амплитудным ограничителем называют четырехпо­люсник, у которого выходное напряжение повторяет форму входного напряжения до тех пор, пока последнее не до­стигнет порога или уровня ограничения, и практически остается постоянным при изменении входного напряже­ния за пределами этого уровня.

Амплитудные ограничители можно выполнить на диодах, транзисторах и многоэлектродных ЭУЛ. Наиболь­шее распространение получили диодные ограничители.

Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные.

В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки R (рис. 9.11, а). Во время положительного полупериода

Рис. 9.11. Схема последова­тельного диодного ограничи­теля «снизу» (а)

и графики входного (б) и выходного (в) напряжений

синусоидального входного напряжения и₁(рис. 9,11, б) диод VD открыт, его сопротивление мало по сравнению с сопротивлением нагрузки R и почти все входное напря­жение выделяется на нагрузке (рис. 9.11, в). В данном случае имеет место ограничение «снизу» на нулевом уровне.

Если поменять местами выводы диода (рис. 9.12, а),

Рис. 9.12. Схема последовательного диодного ограничителя «сверху» (а) и графики входного и₁ и выходного и₂ напряжений (б)

то диод будет пропускать ток во время отрицательного полупериода входного напряжения (рис. 9.12, б). Полу­чается ограничение «сверху» на нулевом уровне.

Если на вход рассмотренных ограничителей подавать двухполярные импульсы, то на выходе первого (рис. 9.11) будут выделяться только положительные импульсы, а на выходе второго (рис. 9.12) только отрицательные, т. е. данные ограничители производят также селекцию им­пульсов по полярности.

Ограничение входного напряжения можно осущест­вить на уровне, отличном от нулевого. Для этого в огра­ничитель вводят дополнительный источник питания. Например, ограничитель, схема которого показана на рис. 9.13, а, осуществляет ограничение снизу на уровне Е (рис. 9.13, б).Если поменять местами подключение вы­водов диода, получится ограничение сверху на уровне Е (рис. 9.13, в).С помощью такого ограничителя можно осуществлять селекцию импульсов по амплитуде.

В параллельном диодном ограничителе диод вклю­чается параллельно нагрузке. Ограничение «снизу» или «сверху» определяется способом подключения выводов диода (рис. 9.14 и 9.15).

При полярности входного напряжения, соответствую­щей открытому состоянию диода VD, малое сопротивление диода шунтирует нагрузку, вследствие чего выходное напряжение близко к нулю. Чтобы ограничение происхо­дило на некотором уровне, отличном от нуля, в ограни­читель добавляют дополнительный источник (рис. 9.16).

Для получения двустороннего ограничения объеди­няют два параллельных диодных ограничителя (рис. 9.17). С помощью такого ограничителя из синусоидального напряжения получают импульсы трапецеидальной формы.

В диодных ограничителях в качестве нелинейных эле­ментов можно использовать стабилитроны. Достоинством ограничителей на стабилитронах является то, что отпадает необходимость в дополнительных источниках, определяющих уровень ограничения.

Рис. 9.13. Схема последовательного диодного ограничителя напряжения

на уровне Е (а) и графики входного и выходного напряжений для

ограничения «снизу» (б) и «сверху» (в)

Рис. 9.14. Схема параллельного диодного ограничителя «сверху» (а) и графики входного и

выходного напряжений (б)

Рис. 9.15. Схема параллельного диодного ограничителя «снизу» (а) и графики входного и

выходного напряжений (б)

Рис. 9.16. Схема параллельного диодного ограничителя «сверху» на уровне —Е (а) и

графики входного и выходного напряжений (б)

Рис. 9.17. Схема параллельного двустороннего диодного ограничителя

(а) и графики входного и выходного напряжении (б)

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите виды и основные параметры импульсных сигналов.

2.Что собой представляет спектр амплитуд импульсной последо­вательности сигналов?

3.Чем отличается спектр амплитуд периодической последова­тельности импульсов от спектра амплитуд одиночного импульса?

4.Чем определяется число гармоник, заключенных между двумя
соседними гармониками с нулевыми амплитудами в спектре периоди­ческой последовательности импульсов?

5.Каким требованиям должны удовлетворять электрические цепи,
вносящие минимальные искажения в передаваемые импульсы?

6.Нарисуйте схему дифференцирующей RС-цепи. При каком усло­вии эта цепь будет выполнять функцию разделительной, или переход­ной, цепи?

7.Какая RC-цепь называется интегрирующей?

8.Для каких целей применяются дифференцирующие, интегри­рующие и переходные цепи?

9.Какие устройства называют амплитудными ограничителями и
как они подразделяются по способу включения нелинейного элемента?

10. Изобразите схемы последовательных и параллельных ограни­чителей на диодах и стабилитронах и формы выходных импульсов
при гармоническом входном напряжении.