Общие характеристики и принципы построения генераторов импульсных сигналов

ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Генераторы импульсных сигналов, или генераторы импульсов, предназначены для получения от источника питания постоянного напряжения электрических колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. Для таких колебаний характерно наличие участков сравнительно медленного изменения напряжения и участков, на которых напряжение изменяется скачкообразно. В этом случае закон изменения напряжения (тока) приближенно описывается функцией с разрывом первого рода.

Для импульсных генераторов характерно наличие внешней или внутренней положительной обратной связи, обусловливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный, регенеративный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние. Во время такого лавинообразного процесса происходит быстрое (скачкообразное) изменение напряжения (тока) на некоторых элементах генератора.

Импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных, трапецеидальных, треугольных, пилообразных импульсов и импульсов некоторых других форм (рис. 1.????). В импульсной технике вычислительных устройств и устройств автоматики чаще всего используются генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов, а также их разновидности, с разными соотношениями длительности импульсов и их фронтов - трапецеидальные и треугольные.

Импульсные генераторы могут работать в трех основных режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

Автоколебательные генераторы импульсов после самовозбуждения генерируют последовательность импульсов, параметры которых (амплитуда, частота повторения, длительность, скважность) определяются только параметрами элементов схемы генератора.

Ждущие (заторможенные) генераторы генерируют импульсы, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих импульсов, а параметры каждого импульса (амплитуда, длительность, форма) зависят только от параметров схемы генератора.

В режиме синхронизации генератор вырабатывает импульсы, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала. Поэтому такие генераторы часто используются в качестве делителей частоты. Наряду с генераторами импульсов, вырабатывающими одну или две последовательности импульсов, находящихся в противофазе, применяются генераторы, предназначенные для получения нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых по фазе друг относительно друга на некоторую произвольную величину, в общем случае не равную 180°. Такие генераторы называются генераторами многофазных импульсов или просто многофазными

Принцип построения генераторов импульсов основан на использовании усилителей-четырехполюсников с положительной обратной связью или двухполюсников, вольт-амперная характеристика которых имеет падающий участок, обусловливающий отрицательное дифференциальное сопротивление двухполюсника. При этом быстропротекающие (лавинообразные, регенеративные) процессы формирования фронта и среза импульсов определяются параметрами активного четырехполюсника или двухполюсника, а сравнительно медленные процессы, связанные с формированием длительности импульсов и паузы между импульсами (для автоколебательных генераторов импульсов), определяются в основном параметрами специально используемых времязадающих (хронирующих) цепей. В четырехполюсниках эти цепи служат одновременно элементами внешней положительной обратной связи и включаются между входами и выходами активных элементов, составляющих эти четырехполюсники. В качестве времязадающих можно использовать емкостно-резисторные или индуктивно-резисторные линейные формирующие цепи, линии задержки и колебательные контуры. В большинстве генераторов импульсов в качестве времязадающих используются RС- цепи, что объясняется их простотой и технологичностью изготовления. Индуктивно-резисторные цепи и колебательные LC-контуры используются существенно реже и в основном в генераторах импульсов на активных двухполюсниках, что объясняется плохой технологичностью катушек индуктивности.

Кроме времязадающих цепей, структура генераторов импульсов, как правило, содержит источник постоянного напряжения, пороговые элементы и ключи.

В однофазных генераторах (генераторах с одним выходом) времязадающая цепь используется для формирования, как импульса, так и паузы. В парафазных генераторах (генераторах с двумя взаимоинверсными выходами, импульсные последовательности на которых сдвинуты друг относительно друга на 180°) применяются две времязадающие цепи, одна из которых используется для формирования импульса на одном выходе и соответственно паузы на втором выходе, а вторая, наоборот, для формирования импульса на втором выходе и соответственно паузы на первом выходе.

Процессы, протекающие в однофазном генераторе, можно представить в следующем виде. Под действием источника питания происходит запасание энергии (заряд) времязадающей цепи. Когда напряжение на ней или ток, проходящий через нее, достигнет порогового значения, срабатывает пороговый элемент и ключ переходит из одного состояния в другое, противоположное первоначальному. Начинается перезаряд накопительного элемента времязадающей цепи и, когда величина заряда достигнет нового порогового значения, установившегося в момент изменения состояния ключа, схема возвращается в первоначальное состояние. После этого процесс повторяется.

В парафазных генераторах времязадающие цепи работают поочередно. В то время, как в одной из времязадающих цепей происходит изменение заряда, определяющее формирование импульса на первом выходе генератора и соответственно паузы на втором, накопительный элемент второй времязадающей цепи подготавливается к рабочему циклу в следующем такте работы. Когда заряд по первой времязадающей цепи достигает порогового значения, происходит опрокидывание схемы и начинается изменение заряда во второй времязадающей цепи, а первая в это время восстанавливает свое исходное состояние.

Различные типы генераторов отличаются друг от друга видами времязадающих цепей, пороговых и ключевых элементов, а также видами медленных переходных процессов во времязадающих цепях, от которых зависит длительность импульсов или их период следования. Эти переходные процессы можно разделить на следующие основные виды:

заряд предварительно разряженного конденсатора через резистор до порогового напряжения U_пор; остаточное (начальное) напряжение на конденсаторе при этом может быть как нулевым, так и отличным от нуля (рис. 5.1.1, а и б);

разряд предварительно заряженного конденсатора через резистор до порогового напряжения U_пор, величина которого близка к нулю, конденсатор при разряде стремится разрядиться до нулевого напряжения или перезарядиться до напряжения противоположного знака, но не перезаряжается, так как в момент уменьшения напряжения на нем до U_пор происходит изменение состояния схемы и на конденсаторе быстро восстанавливается первоначальное напряжение (рис. 5.1.1, в);

перезаряд конденсатора через резистор под действием напряжений Еи -Е (рис. 5.1.1, г); при этом в моменты, когда напряжение на конденсаторе достигает величины U_пор1илиU_пор2, происходит изменение состояния схемы и конденсатор подключается к источнику напряжения противоположного знака.

Так как переходные процессы во времязадающих цепях во всех рассмотренных случаях описываются дифференциальными уравнениями первого порядка, для определения длительности переходных процессов t_ии t_n можно пользоваться известным уравнением

(5.1)

где τ - постоянная времени времязадающей цепи; U (0) - напряжение на конденсаторе в момент коммутации; U ( ) - напряжение, к которому заряжается (или перезаряжается) конденсатор; U_nop - пороговое напряжение.

В качестве времязадающих цепей используются классические RС-цепи, изображенные на рис. 1.14, а, б, или мостовая цепь (рис. 5.1.2, а).

Принцип работы мостовой времязадающей цепи иллюстрируется временными диаграммами (рис. 5.1.2, б). Вход активного элемента, например диод VD, которым можно заменить эмиттерный переход п-р-п транзи стора, включается в плечо моста. Напряжения на его аноде u_A (t) и катоде u_Б (t) таковы, что в течение времени t₁он обратно смещен. В точке t₁ напряжение на диоде u_VD = 0, а в момент, когда рабочая точка смещается на линейный участок вольт-амперной характеристики диода, он полностью откроется, формируя условия переключения схемы.

Мостовые времязадающие цепи применяются в генераторах повышенной стабильности, частота работы которых практически не зависит от изменения напряжения источника питания Е. В любой из обычных времязадающих цепей (рис. 5.1.1) при изменении Е величина t_и изменяется. В мостовой времязадающей цепи (рис. 5.1.2, б) при увеличении Е до величины Е'переходные процессы в точках а и б изменяются u΄_а (t) и и΄_б (t), однако момент их равенства t₁ остается прежним.

В зависимости от функционального назначения генераторы импульсов, применяемые в автоматике, можно подразделить на два основных класса: генераторы прямоугольных импульсов и генераторы пилообразных, или линейно изменяющихся импульсов.

Генераторы прямоугольных импульсов, в свою очередь, делятся на автоколебательные мультивибраторы (MB), ждущие мультивибраторы (ЖМВ), или одновибраторы (ОВ), и блокинг-генераторы (БГ) (автоколебательные и ждущие). В мультивибраторах используются положительные обратные связи через RС-цепи. Блокинг-генераторы отличаются тем, что в них обратные связи организуются с помощью импульсных трансформаторов, что обусловливает специфику их работы и область применения.

Генераторы пилообразных импульсов составляют особый класс устройств, отличающихся тем, что в своей структуре содержат стабилизаторы тока перезаряда накопительных элементов времязадающих цепей, для чего в их состав входят активные элементы, работающие в линейном режиме.