Учебное пособие 800596

нелинейных – при построении ограничителей амплитуды и различных формирователей импульсов.

3.6.1. Дифференцирующая RC-цепь

Линейная RC-цепь (рис. 3.37 ) состоит из резистора R, кон-

денсатора С и имеет постоянную времени	RC , много меньшую
длительности tи входного импульса.

Рис. 3.37

Наиболее часто такую цепь используют для дифференцирования прямоугольных импульсов, в результате которого получаются короткие остроконечные импульсы. Поэтому дифференцирующая цепь называется укорачивающей и обостряющей. На рис. 3.38 приведена реакция RC-цепи на прямоугольный импульс длительно-

стью tи , когда tи . В момент t1 появления импульса положительный скачок напряжения U m выделяется на выходе, затем на-

чинается зарядка конденсатора и напряжение на выходе становится практически равным нулю задолго до окончания входного импульса.

С момента окончания входного импульса t2 в цепи действует только напряжение заряженного конденсатора U c , которое

71

прикладывается к выходу, т.е. U вых с точностью до знака повторяет напряжение U c . Поэтому в момент t2 на выходе цепи появляется напряжение U m с отрицательной полярностью на верхнем и с по-

ложительной на нижнем концах резистора R (см. рис. 3.38). При этом внутренне сопротивление генератора входных импульсов считается равным нулю.

Этот отрицательный импульс быстро спадает до нуля, т.к. конденсатор быстро разряжается.

Рис. 3.38

На выходе плоская вершина импульса почти не передается, т.к. для низкочастотных гармоник, составляющих плоскую верши-

	ну входного импульса, сопротивление конденсатора xc			1		R .
				c
	3.6.2 Дифференцирующая RL-цепь
	Линейная RL-цепь (рис. 3.39) состоит из резистора R, ин-
	дуктивной катушки L и имеет постоянную времени	L		, много
		R

меньшую длительности tи входного импульса.

72

Рис. 3.39

Процессы в ней определяются равенством Uвых U вх U R ,

а также известным положением, что ток через индуктивность не может изменяться скачкообразно и следовательно, напряжение на резисторе цепи не имеет скачков.

В соответствии с этим передний фронт положительного прямоугольного импульса выделяется на индуктивной катушке L, активное сопротивление которой считается равным нулю. Вслед за

этим ток в цепи и напряжение на резисторе U вых с такой же скоро-

стью уменьшается – на выходе формируется остроконечный импульс (см. рис. 3.38).

В момент окончания входного импульса ток и напряжение U R сохраняются неизменными, а отрицательный скачок U вых вы-

деляется на выходе. За счет неравенства

tи энергия, запасен-

ная в катушке, рассеивается на резисторе R за время много меньшее tи , на выходе формируется отрицательный остроконечный импульс

(см. рис. 3.38).

Большая конструктивная сложность такой цепи по сравнению с RC цепью ограничивает ее применение.

3.6.3 Дифференциатор

Дифференциатор является устройством, при подаче прямоугольного сигнала, на вход которого на его выходе выделяются только высокочастотные составляющие в виде остроконечных пи-

73

ков положительной и отрицательной полярности. Амплитуда этих пиков равна амплитуде входного сигнала (рис. 3.40).

Рис. 3.40

Дифференциаторы могут быть реализованы на основе цепей, на микросхемах операционных усилителей (рис. 3.41), в интегральном исполнении.

Рис. 3.41

3.6.4 Интегрирующие цепи

Для интегрирования прямоугольных импульсов наиболее часто используют RC-цепь (рис. 3.42), постоянная времени которой много больше времени интегрирования t ( R C t) .

Рис. 3.42

Если t , то за время t напряжение конденсатора не успевает существенно измениться. На рис. 3.43 показано изменение формы выходного сигнала в процессе интегрирования.

74

Рис. 3.43

При воздействии входного импульса конденсатор С не может мгновенно зарядиться, поэтому все входное напряжение выделяется на резисторе R. За время действия импульса конденсатор медленно заряжается и к моменту окончания входного импульса

(t tи ) напряжение на выходе достигает значения

		tи
Um.вых	Um.вх (1 е		) , после чего конденсатор медленно разряжа-
ется через резистор и U вых				постепенно уменьшается.
	Можно считать, что через время t 3 после окончания
входного импульса конденсатор C практически разряжается, т.е.
длительность импульса на выходе рассматриваемой цепи
tи.вых	tи 3 , где tи		- длительность входного импульса. Так как
tи , то можно считать, что tи.вых					3 .
	Таким образом, при			tи	на выходе цепи выделяются
растянутые пилообразные импульсы с амплитудой Um.вых						U .
						m.вх

Поэтому такую цепь называют удлиняющей или сглаживающей. Если рассматривать импульс как совокупность гармоник, то

	при	RC tи сопротивление конденсатора xc	1	R не
			C

только для высокочастотных гармоник, но и для низкокочастотных гармоник формирующих его плоскую вершину. В следствии этого большая часть напряжения всех участков входного импульса выделяется на R, а не на выходе цепи.

75

Кроме RC-цепи для интегрирования импульса можно использовать цепь, состоящую из индуктивной катушки L и резистора

R с постоянной времени tи (рис. 3.44), сопротивление катушки xL L .

Рис. 3.44

Так как ток в такой цепи не может скачкообразно изменяться, то при действии на выходе прямоугольных импульсов выходное

напряжение Uвых IR изменяется медленно и имеет форму растя-

нутых пилообразных импульсов. Так же как и дифференцирующая RL-цепь, такая интегрирующая цепь из-за конструктивной сложности используется редко.

3.6.5 Интегратор

Интегратор является устройством, при подаче прямоугольного сигнала на вход которого на его выходе выделяются только низкочастотные компоненты, а именно, плоские части сигнала. В идеале на выходе должен быть получен постоянный ток. Однако в реальных схемах на выходе интегратора получается почти треугольный сигнал. Амплитуда этого сигнала меньше, чем амплитуда входного прямоугольного сигнала (рис. 3.45)

76

Рис. 3.45

Синусоидальный сигнал является простым сигналом, поэтому при прохождении, как через дифференциатор, так и через интегратор его форма не изменяется. Изменяется лишь амплитуда сигнала. Поскольку дифференциатор является фильтром верхних частот, то он не изменяет амплитуду синусоидального ВЧ – сигнала. Амплитуда же НЧ – сигнала уменьшается. Интегратор действует наоборот: оставляет неизменной амплитуду синусоидального НЧ

– сигнала и уменьшает амплитуду ВЧ – сигнала.

Формы реализации интеграторов различны (цепи, на ИМС ОУ, в интегральном исполнении).

На рис. 3.46 изображен интегратор на ИМС операционного усилителя.

Рис. 3.46

3.6.6 Формирующие линии

Длинную линию можно использовать как устройство, формирующее прямоугольные импульсы, длительность которых равна

77

	удвоенному времени задержки tз	l		линии, где l - длина линии, а
		v
	v - скорость распространения волны.

Цепочечная линия (рис. 3.47) относится к искусственным линиям задержки и представляет собой ряд LC – ячеек с сосредоточенными постоянными.

Рис. 3.47

Число ячеек n является эквивалентом длины линии с распределенными параметрами.

О свойствах цепочечной и длинной линии судят по волно-

	вому сопротивлению				L		и величине временной задержки
					C
	tз n L C .

Цепочечные линии используются для формирования импульсов и для задержки на единицы и десятки микросекунд.

Выпускаются миниатюрные линии задержки в микромодульном исполнении. Условное обозначение линии задержки на схемах

3.6.7 Формирователи импульсов на логических элементов

Принцип действия формирователя на двухвходовом элементе сводится к следующему. Если на один вход элемента подать

переключающий перепад в момент t1 , а на другой – в момент t2 , то

78

на выходе элемента сформируется прямоугольный импульс длительностью tи t2 t1 .

а) Формирователь на И – НЕ.

Переключение входов И – НЕ приводит к формированию на выходе импульса отрицательной полярности (рис. 3.48)

Рис. 3.48

б) Формирователь на ИЛИ – НЕ.

Переключение входов элемента ИЛИ – НЕ приводит к формированию на выходе импульса положительной полярности (рис.

3.49)

Рис. 3.49

в) Формирователь на И – НЕ с линией задержки. Рассмотрим формирователь на ЛЭ И – НЕ (рис. 3.50)

Рис. 3.50

79

Линия задержки D может включиться в цепь любого входа

ЛЭ2.

На рис. 3.51 приведены временные диаграммы рассматриваемой схемы.

Рис. 3.51

При t t1 на входы x1 ЛЭ1 и ЛЭ2 подается U 0 , а на x2 ЛЭ1 - постоянноU . На входе x2 ЛЭ2 формируется напряжение

U , поэтому на выходе формирователя U вых		U .
В момент t	t1 на входах x1 ЛЭ1 и ЛЭ2 появляется сигнал
U . На выходе ЛЭ1 напряжение Uу ЛЭ1 U 0 , но за счет линии за-
держки на входе x2	ЛЭ2 в течение времени задержки t з сохраня-
ется U , т.е. на выходе формирователя Uвых		U 0 . Через время
t tз в момент t2 на входе x2 ЛЭ2 появится U 0 , а на выходе
формирователя U вых	U . В результате формируется импульс от-

рицательной полярности, длительность которого равна времени задержки D.

г) Формирователи на ИЛИ – НЕ с линией задержки.

В формирователе на ИЛИ – НЕ должны быть выдержаны следующие сочетания логических переменных (рис. 3.52)

80