Курс лекций по дисциплине: "Импульсная техника"
план-конспект урока по физике по теме

ВВЕДЕНИЕ

        Место предмета в учебном плане. Краткие сведения из истории импульсных устройств. Тенденции и перспективы развития.

        Импульсная техника – эта та же электронная техника, при условии кратковременных, прерывистых электрических колебаний (импульсных сигналов), т. е. она является составной частью радиоэлектроники и служит, в частности, базой радиолокации, радионавигации, телевидения, многоканальной связи; на основе импульсной техники созданы электронные цифровые устройства вычислительной машины.

Области использования импульсной техники

1. Радиолокация. Импульсная радиолокационная станция излучает электромагнитные колебания (радиоимпульсы), которые отражаются от цели и принимаются той же станцией. По времени распространения каждого радиоимпульса до цели и обратно (с учетом скорости распространения радиоволн) определяют дальность цели. Аналогично измеряются высота полета самолета, высота облачного покрова и т. д. Радиолокация широко используется в системах навигации кораблей и летальных аппаратов, в радиоастрономии, при освоении космического пространства.
2. Телевидение. При телевизионных передачах изображение на экране приемной трубки формируется построчно. Чтобы на строках экрана телевизора изображение размещалось аналогично тому, как оно размещается по «строкам» передаваемого предмета (и на специальном электроде передающей трубки), в телевизионном сигнале присутствуют, в частности, синхронизирующие импульсы. Только благодаря этому совпадают положения строк изображения на приемной и передающей строках тракта.
3. Многоканальная связь. Прерывистость импульсных колебаний дает возможность осуществлять многоканальную связь, используя один канал: импульсы, передающие одно сообщение, размещаются в паузах между импульсами, передающими другое сообщение.
4. Телеуправление – управление на расстоянии.
5. Цифровая вычислительная техника. В современных вычислительных машинах тактовая частота импульсов составляет 2000 МГц и более, а передача информации в комплексах таких машин происходит со скоростью 2∙109 импульсов в секунду.
6. Другое: а) Набирая номер телефона, мы посылаем импульсы телефонной станции, которая расшифровывает их и соединяет с другим абонентом.

                     б) Телевизионный кнопочный пульт позволяет на расстоянии управлять телевизором с помощью импульсов инфракрасного излучения.

                     в) Современный автомобиль тоже насыщен импульсной и цифровой техникой, импульсы используются в системах зажигания, поворотной сигнализации, охранных кодовых системах.

                     г) Контрольно-измерительная техника тоже использует импульсы.

                      д) Автоматические системы контроля и дистанционного управления также построены на основе использования импульсной техника.

                Курс импульсной техники поможет ориентироваться в сложной номенклатуре изделий, узнать их возможности и позволит применять в соответствие с назначением. А также мы изучим основные законы, действующие в импульсных электрических устройствах и цепях, поясняющие физические законы, на которых базируются процессы, происходящие в полупроводниковых импульсных и базовых элементах цифровой техники.

Краткие сведения из истории импульсных устройств 

стр. 6 – 7 [1]

        Своему становлению и развитию импульсная техника обязана трудам специалистов многих стран мира, среди которых значительная роль принадлежит отечественным ученым.

1. Впервые импульсные методы были использованы изобретателем телеграфа – нашим соотечественником П.Л. Шиллингом.
2. Импульсный искровой передатчик сконструировал в 1985 г. Изобретатель радио А.С. Попов.
3. В 1907 г. Л.И. Мандельштам разработал принцип временного масштаба, что нашло применение в осциллографах при наблюдении кратковременных импульсных процессах.
4. В том же году профессор Б.Л. Розинг впервые использовал электронно-лучевую трубку для приема изображения, что обусловило развитие электронного телевидения.
5. М.А. Бонч-Бруевич в 1918 г. Создал и проанализировал устройство, послужившее основой импульсных схем – триггеров и мультивибраторов.
6. В 30-х годах М.А. Бонч-Бруевич, Д.Е. Малеров, К.И. Крылов, В.П. Лясов – создали магнетрон – прибор для генерации электромагнитных колебаний сверхвысоких частот, сыгравшая огромное значение в совершенстве радиолокаторов.
7. В 1931 г. В.А. Котельников сформулировал и доказал теорему, ставшую фундаментальным положением импульсной электро- и радио связи.
8. В 1934 г. П.К. Ащепковым была начата разработка импульсной радио локаций, 1937 г. Ю.Б. Кобзаревым и его сотрудниками создана локационная станция, в которой использовался импульсный режим работы.
9. Разработка теории импульсных колебании и переходных процессов в радиотехнических цепях связано с именами советских ученых во главе Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси.

РАЗДЕЛ 1.  Сигналы в импульсных и цифровых устройствах

Тема 1.1. Сигналы в импульсных устройствах

Сигналом называют физический процесс, несущий информацию. Сигналы могут быть, в частности звуковыми, световыми, электрическими.

 Информация сосредоточена в изменениях параметров физического процесса. Если параметры процесса не меняются, то он  не является сигналом. Так неизменный звук, световой поток, синусоидальное электрическое колебание никакого сообщения не содержат. Наоборот, в изменениях громкости и типа звука, яркости и цвета светового излучения, амплитуды, частоты и фазы электрического колебания информации. Информативным так же является также появление, например, электрического колебания, т.е. его изменение.

Под электрическим импульсом понимают отклонение напряжение или тока от некоторого постоянного уровня (в частности от нулевого), наблюдаемое в течение времени, меньшего или сравнимого с длительности переходных процессов в схеме.

Виды электрических импульсов.

2) Экспоненциальные импульсы формируются из-за влияния ёмкостей, сопротивлений и индуктивностей на начальный и конечный участки прямоугольного импульса.

3) Пилообразные и треугольные импульсы (импульсы линейного нарастающего напряжения) используют в схемах развёртки осциллографов и электронно-лучевых индикаторов.

5) В некоторых случаях для исследования статистических закономерностей в электрических цепях используют колокообразные импульсы

Перечисленные импульсы напряжения называют видеоимпульсом.

Если внутри импульса происходят колебания напряжения определенной частоты, то такой импульс называется радиоимпульсом.

Графическая форма записи радиоимпульсов в напряжении

Также импульсы используют в радиолокаторах, а способ их получения называется импульсной модуляцией радиосигнала (импульс высокочастотным заполнением). Кроме радиолокации, радиоимпульсы используют в многоканальной радиосвязи для одновременной передачи нескольких сообщений.

Различают видеоимпульсы положительной и отрицательной полярности, а так же двухсторонние – разнополярные импульсы.

Графическая форма записи видеоимпульсов напряжения

Следует иметь в виду, что реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию.

Устройства, в которых действуют электрические импульсы, называют импульсными.

Параметры импульсов     стр. 10 – 12 [ 1 ]

Реальный прямоугольный импульс

1) Длительность. За активную длительность τна принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соответствующем половине амплитуды. Иногда длительность импульса, определяют на уровне 0,1Umax. или по основанию импульса τu.

Длительность импульса измеряется в единицах времени: секундах (с), мили секундах  (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс).  

  2) Амплитуда. Наибольшее значение напряжение или тока импульса данной формы является его амплитудой. Амплитуда импульса Umax(Imax) измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ), или амперах (А), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА).

3) Длительность и крутизна фронта импульса.

Импульс имеет передний фронт и срез, последний также называется задним фронтом.

Длительность переднего фронта импульса определяется временем нарастания импульса, длительность среза – временем спада импульса.

Наиболее часто используется понятие активной длительности фронта tф , за которую принимают время нарастания импульса от 0,1 Umax  до 0,9 Umax ; аналогично, длительность среза tc – время спада импульса от 0,9 Umax до 0,1 Umax   Чем меньше tф  и  tc фронты импульса характеризуют скорость нарастания (спада). Эту величину называют крутизной S фронта (среза) и измеряют в вольтах на секунду (В/с), киловаттах в секунду (кВ/с) и т.д. Для прямо усиленного импульса приближено S=Umax /tф.

Участок импульса между фронтами называют плоской вершиной ΔU. А также имеется отрицательный импульс.

4) Мощность в импульсе. Энергия W импульса отнесённая к его длительности, определят мощность в импульсе: Pu=W/tu. Она измеряется в ватах (Вт), киловаттах (кВт)

5) Период повторения импульсов. Периодом повторения (следования) называют промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Она измеряется в единицах времени: с, мс, мкс.

6) Частота повторения (следования). Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения следования импульсов f. Она определяет количество периодов в течение одной секунды и измеряется в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т.д.

7) Коэффициент заполнения. Часть периода T  занимает пауза – отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов, т.е. τu=T-tn. Отношение длительности импульса к периоду повторения называют коэффициентом заполнения: Ј=τu/T. Коэффициент заполнения – величина безразмерная и меньше единицы.

8) Скважность импульсов. Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: q=1/ Ј=T/τ1. Скважность тоже безразмерная величина, но больше единицы.

9) Среднее значение импульсного колебания. При определении среднего за период значения импульсного колебания Uср(Iср) импульс напряжения или тока распределяют равномерно на весь период так, чтобы площадь прямоугольника IсрT равнялась площади Su.

Рисунок, поясняющий определение

среднее значение импульсного колебания.

10) Средняя мощность. Энергия W импульса, отнесённая к величине периода T, определяет среднюю мощность импульса: Pcp=W/T

Сравнивая выражение Pu  и Pcp, получим

Puτu=Pcp*T, Pu=PcpT/τu=Pcpq и Pcp=Puτu/T=Pu/q,

т.е. средняя мощность и мощность в импульсе отличаются в q раз. Отсюда следует, что мощность в импульсе, которую обеспечивает генератор, может в q раз превосходить среднюю мощность генератор.  

Тема 1.2. Сигналы в цифровых устройствах  стр. 22 – 39 [1]

Двойная система счисления. Структура условного сигнала: потенциальный  и импульсный цифровой сигнал. Представление цифрового сигнала в последовательный и параллельной форме. Цифровые сигналы в электронных и радиотехнических устройствах. Алгебра логики (основные соотношения). Понятие минимизаций логических функций.

Двойная система счисления. В двоичной системе счисления основанием системы является число 2, используемых цифр – две: 0 и 1, а веса в соседних разрядах отличаются вдвое. Число в двоичной системе счисления представляется последовательностью коэффициентов в разложении по степеням 2. Так число 3810 выражается следующим рядом по степеням 2:

                     3810=1∙25+0∙24+0∙23+1∙22+1∙21+0∙20=1001102

Преимуществом двоичной системы счисления является то, что она использует только две цифры. Поэтому в аппаратуре для выполнения операций достаточно пользоваться двумя значениями, к примеру, напряжения.

Структура цифрового сигнала.

Цифровым сигналом представляются двоичные числа. Поэтому он состоит из элементов только двух различных значений. Одним из них представляется 1, а другим – 0.

     Потенциальный цифровой сигнал.               Импульсный цифровой сигнал.

Элементами импульсного цифрового сигнала являются импульсы неизменной амплитуды и отсутствие ux.

Элементами потенциального цифрового сигнала являются потенциалы двух уровней.

                                      .

Размеры числа представляются последовательно, Соответствующие размеры передаются по одной линии и обрабатываются устройством последовательно.

Разряды числа представляются одновременно. Количество линий передачи равно числу разрядов числа, обрабатывается каждый разряд своим однотипным элементом устройства.

                              Аналого-цифровой преобразователь  

      Непрерывный сигнал преобразуется в цифровой.

Алгоритмы преобразования

1. Из непрерывного сигнала периодически производится выборки мгновенных значений.
2. Каждая выборка округляется до ближайшего разрешенного уровня.
3. Код этого уровня представляется элементами цифрового сигнала.

                  Алгоритм преобразования непрерывного сигнала в цифровой.

                            Алгебра логики (основные соотношения)

1. Дизъюнкция (логическое сложение) – операция ИЛИ

                              y=x1+x2+...+xn

        Значение у=0 имеет только при х1=х2=…=хn=0

2. Конъюнкция (логическое умножение) – операция И

Значения у=0 имеет, если хотя бы один из переменных равен 0.

3. Инверсия (логическое отрицание) – операция НЕ.

Основные соотношения алгебры логики:

Переместительный закон

Сочетательный закон

Закон поглощения

Закон склеивания

Закон отрицания

РАЗДЕЛ 4. ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ стр. 113 [2]

Тема 4.1. Мультивибраторы

Общие сведения о релаксационных    генераторах. Основная схема транзисторного автоколебательного генератора. Ждущий мультивибратор. Мультивибраторы на интегральных схемах ОУ: автоколебательный и ждущий; мультивибраторы на цифровых интегральных схемах (ЦИС): автоколебательный и ждущий; интегральные монолитные мультивибраторы.

Стр. 179 [1]

Прямоугольные импульсы имеют широкий спектр частот. Этим определяется название мультивибратора, означающий генератор множества колебаний.

Прямоугольные импульсы формируются на коллекторе транзистора:

плоская вершина – когда транзистор заперт, коллектор имеет высокий потенциал;

пауза – когда транзистор насыщен, коллектор имеет малый потенциал;

длительность – определяется напряжением на конденсаторах;

крутые фронты – определяются лавинообразным переходом из одного состояния в другое за счет положительной обратной связи и усилением → двухкаскадный резистивный усилитель (усилитель работает в режиме ключа) с положительной обратной связью.

Автоколебательный мультивибратор на VT   стр. 180 [1]

Схема мультивибратора автоколебательного

Транзистор p-n-p

Положительная обратная связь: выход одного ключа соединен с входом другого.

Если потенциал базы VT1 более отрицательный, то потенциал коллектора VT1 (и базы VT2) более положительный, а потенциал коллектора VT2 (и базы VT1) еще более отрицательный.

Так к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающее в исходную точку по петле обратной связи.

Рассмотрим работу мультивибратора более детально. При включении источника питания состояние, когда оба транзисторы открыты, является неустойчивым.

Стр. 125 – 127 [2]

Алгоритм работы

Временные диаграммы автоколебательного мультивибратора

1. Формирование фронта импульса – участок аb

1. Допустим, что коллекторный ток одного из них (VT1) несколько увеличился за счет флуктуационных колебаний iк1 ↑.
2. Падение на резисторе Rк1 тоже возрастает ΔUк1 ↑.
3. Это приведет к росту тока заряда конденсатора С2  iС2 ↑ и увеличению падения напряжения на резисторе Rб2  ΔURб2 ↑.
4. В результате этого отрицательный потенциал на базе транзистора VT2 уменьшится URб2 ↓.
5. Увеличение напряжения на коллекторе VT2 вызовет увеличение тока заряда конденсатора С1 iС1 ↑, увеличение падения напряжения на резисторе Rб1 ΔURб1  ↑ и уменьшение напряжения на базе транзистора VT1 URб1 ↓.
6. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему росту его коллекторного тока iк1 ↑.

Таким образом, возникает положительная обратная связь с лавинообразным нарастанием тока до полного насыщения в транзисторе VT1 и полное перекрытие тока в транзисторе VT2.

После завершения переключения в момент времени t1 мультивибратор переходит во временное устойчивое состояние: транзистор VT1 открыт до полного насыщения, транзистор VT2 полностью закрыт.

7. Происходит заряд конденсатора С1 через базу транзистора VT1 и резистор Rк2 UС1 ↑ (напряжение на коллекторе транзистора VT2 приближается к установившемуся значению) – участок bc, напряжение на коллекторе примет значение Uк2 ≈ -Ек.

На этом формирование фронта импульса заканчивается.

2. Формирование плоской вершины импульса – участок cd.

Конденсатор С2 начинает перезаряжаться, напряжение на Rб2 уменьшается Uб2 ↓ и напряжение на базе VT2 уменьшается ↓, когда напряжение на базе транзистора VT2 станет равным напряжению отпирания, в момент времени t2 транзистор VT2 начнет отпираться.

        Но до момента t2 транзистор VT2 был закрыт, происходило формирование плоской вершины. К моменту t2 формирование плоской вершины закончилось.

3. Формирование среза импульса -  участок dе.

Транзистор VT2 начинает отпираться, и происходит процесс обратного переворачивания, аналогичный прямому.

Результатом этого процесса будет переход в новое состояние, когда транзистор VT2 будет открыт, а транзистор VT1 – закрыт.

4. Формирование паузы импульса – участок еа.

В новом устойчивом состоянии конденсатор С1 начнет перезаряжаться через транзистор VT2, а конденсатор С2 – заряжаться. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на базе транзистора VT1 не станет равным напряжению его открывания. После этого мультивибратор переключится в другое состояние, и процесс начнет повторяться.

В результате перехода мультивибратора из одного состояния в другое образуется периодическая последовательность импульсов, длительность которых определяется параметрами RС-цепей, определяющих время заряда и разряда конденсаторов С1 и С2. Если параметры RС - цепей у транзисторов не одинаковы, то длительности импульсов и интервалов меду ними будут отличаться.

Автоколебательный мультивибратор на ИМС ОУ   стр. 131 -132 [2]

             Мультивибратор на ИМС ОУ       Эпюры напряжений

        Релаксационным элементом мультивибратора на операционном усилителе является резистивно-конденсаторный мост, питающийся от знакопеременного напряжения операционного усилителя +Ек - –Ек (обычно - –15 и + 15 В).

Алгоритм работы

1. Допустим, что временное равновесие установилось с напряжением на выходе, равном  +Е, и напряжением на прямом входе +εЕ.
2. Конденсатор С заряжается через R1 → напряжение на С возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени R1С и → к уровню Uвых.
3. Когда Uвх = εЕ, транзисторы микросхемы DA1 выходят из насыщения, восстанавливается действие положительной обратной связи и возникает регенеративный процесс → переключение схемы во второе равновесное состояние.
4. После завершения переключения на выходе мультивибратора Uвых = –Е, а Uвх = – εЕ → конденсатор перезаряжается → UС →    –Е.
5. Когда UС = – εЕ, произойдет переключение мультивибратора на первое равновесное состояние.

Для регулирования интервалов следования импульсов и длительности импульсов вместо сопротивления R1 необходимо установить регулировочное сопротивление и диод.

Стабилизацию частоты следования импульсов мультивибратора можно осуществить синхронизирующими импульсами, подаваемыми на вход (→).

Автоколебательный мультивибратор на логических элементах

Мультивибратор на двух логических      Эпюры напряжений

элементах, включенных параллельно

(логические элементы И-НЕ, две RC-

цепи: R1C1 и R2C2 – времязадающие

релаксационные элементы, конденса-

торы создают петлю по обратной свя-

зи)

Алгоритм работы

1. Верхний открыт, а нижний элемент закрыт. На выходе DD1.1 лог.1, конденсатор С1 начинает заряжаться через R1.
2. UС1 → лог.1, → iR1↓ → UR1↓ → UR1 = лог.0 → UвыхDD1.1 = лог.1 - момент t1.
3. Через С2 включается DD1.1  → UвыхDD1.1 = 0.
4. Начинает заряжаться С2 через R2, поддерживая DD1.1 во включенном состоянии за счет падения напряжения на R2. Мультивибратор находится в устойчивом состоянии, пока С2 не зарядится → UR1 = 0 и DD1.1 переключается – момент t2.

Таким образом, снова наступает момент переключения в первоначальное состояние, процесс повторяется.

Время устойчивого состояния определяется временем релаксации (заряда) конденсаторов С1 и С2 через R1 и R2.

Через конденсатор С могут подаваться синхронизирующие импульсы, изменяющие период повторения импульсов Т.

Основные параметры колебаний  стр. 184 – 187 [1]

1. Амплитуда импульсов Um

Будем считать, что импульс формируется при запирании транзистора (когда потенциал его коллектора становится более отрицательным), а пауза – при его отпирании.

Uкн ≈ 0

Uкзап  ≈ –Ек → амплитуда генерируемых импульсов Um=Uкн-Uкзап ≈Ек

2. Длительность импульсов

Конденсатор С1 (между коллектором насыщенного транзистора VT1 и базой запертого транзистора VT2) разряжается, имея тенденцию перезарядиться:

τ2 ≈ С1Rб2 -  постоянная времени разрядки конденсатора С1.

При t = 0 Uб2 = Ек. С этого момента начинается формирование отрицательного импульса на коллекторе транзистора VT2.

При t = t2 потенциал базы VT2 опускается до нуля и схема опрокидывается: VT2 отпирается, а VT1 запирается.

Таким образом, длительность tи2 генерируемого импульса определяется продолжительностью разрядки конденсатора С1, обеспечивающее запертое состояние транзистора VT2.

Ее значение можно определить:

  →

3. Пауза импульсов

Проведя аналогичные рассуждения по отношению к закрывающемуся транзистору VT1. находим

,

где τ1 – постоянная времени разрядки конденсатора С2.

4. Период колебаний

Для симметричного мультивибратора tи1 = tи2 = 0,7СRб2 = 0,7τ

5. Длительность переднего фронта импульса tф

Определяется временем зарядки хронирующего конденсатора через коллекторный резистор того же плеча:

 tф ≈ 3СRк

Выбор элементов схемы

1. Uкб доп ≥ 2Ек
2. Максимальная частота колебаний мультивибратора fmax зависит от частоты транзистора fβ, у выбранного транзистора должна быть fβ ≥ 0,7fmax (fβ – частота транзистора).
3. Чтобы обеспечить заданную длительность положительного перепада – длительность среза tс, частота транзистора fλ должна соответствовать условию

fλ  ≥ 1/ tс

 (fλ – частота, на которой коэффициент α передачи тока эмиттера уменьшается по сравнению с низкочастотным значением в  раз )

4) Напряжении источника питания берут равным

Ек = (1,1 -  1,2) Um

5) Сопротивление резистора Rк выбирают с таким расчетом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого

Iкн ≈ Ек/Rк ≤ Iк доп → Rк ≥ Ек/ Iк доп,

с другой стороны, падение напряжения на резисторе Rк от обратного тока коллектора не должно превышать (1,05 – 0,1)Ек. отсюда

,

где Iк0max – обратный ток при максимальной рабочей температуре.

6. Сопротивление резистора Rб следует выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора (S ≈ 2); S – коэффициент насыщения

  → Rб = β Rк/S.

7. Емкость конденсатора С выбирается в соответствии с заданной длительностью импульсов:

С1 = tи2/0,7Rб2;        С2 = tи1/0,7Rб1.

Ждущий мультивибратор

            →                           

Схема мультивибратора в ждущем режиме

Временные диаграммы ждущего мультивибратора

Для автоколебательного режима мультивибратора характерно отсутствие устойчивого состояния, вследствие чего схема генерирует импульсы непрерывно.

В ряде случаев необходимо получать одиночные импульсы в определенные моменты времени. Для этого мультивибратору надо обеспечить устойчивое состояние: обычно это достигается путем запирания усилительного элемента одного из плеч мультивибратора, тогда схема самостоятельно не может выбраться из этого состояния.

В этом случае для генерации нужен внешний запускающий импульс. Такой импульс рассматривается как ждущим импульсом, а генератор «ждущим» (при каждом запускающем импульсе вырабатывается только один импульс).

I. Это одно назначение ждущего мультивибратора.

II. Ждущие мультивибраторы могут использоваться как элементы задержки. Если импульсы выходные продифференцировать, а затем срезать, то полученная последовательность окажется задержанной по отношению к входной. tзад = времени пребывания мультивибратора в неустойчивом состоянии.

Существует несколько разновидностей схем мультивибратора, одна из них, когда на вход одного из транзисторов автоколебательного мультивибратора подается напряжение смещения Еб.

Алгоритм работы

1) Исходное состояние схемы: VT1 – заперт источником смещения Еб,  а VT2 – открыт и насыщен. При этом конденсатор С1 имеет возможность заряжаться по цепи: +Ек – «земля» - эмиттерный переход VT2 – С1 – Rк1 – (-Ек).

2) Выводят схему из устойчивого состояния: на базу VT1 через разделительный конденсатор подают запускающий импульс отрицательный √, транзистор VT1 приоткрылся.

3) Два отпертых транзистора, это мы уже рассматривали → опрокидывание транзисторов: VT1 – открывается, а VT2 – закрывается.

4) С1 держит VT2 в запертом состоянии, но по мере разрядки (перезарядки) через цепь: +Ек – «земля» - отпертый транзистор VT1 – С1 – Rб2 – (-Ек) потенциал базы уменьшается до нуля и он отпирается.

5) С этого момента начинается новый лавинообразный процесс → VT1 закрывается, а VT2 – открывается.

6) По окончании зарядки конденсатора С1 через резистор Rк1 схема возвращается в исходное состояние.

        Длительность сформированного импульса на коллекторе VT2

tи = 0,7С1Rб.

В данном случае транзистор VT1 удерживается в запертом состоянии не напряжением конденсатора С2, а напряжением источника +Еб. Поэтому связь коллектора VT2 с базой VT1 можно осуществлять через резистор R, т.е. С2 не нужен.

Схема ждущего                                       Временные диаграммы

мультивибратора на

 логических элементах

Схема ждущего                                      

мультивибратора на                                  Временные диаграммы

ИМС ОУ

Интегральные монолитные мультивибраторы

КР119ГГ1 – мультивибратор с самовозбуждением

КР119АГ1 – элемент ждущего блокинг – генератора

КР127ГФ1А – КР127ГФ1Ж – тактовый генератор

218ГГ1, К218ГГ1 – мультивибратор автоколебательный

218Г1, К218Г1 – мультивибратор ждущий

К224ГГ2 - генератор прямоугольных импульсов

К224ГГ1 – мультивибратор универсальный

Тема 4.2. Блокинг – генераторы  

Общие сведенья о блокинг – генераторах. Автоколебательный блокинг – генератор на транзисторах. Ждущий режим блокинг – генератора. Синхронизированный блокинг – генератор. Блокинг – генератор на интегральной схеме.

Блокинг – генератор (БГ) – однокаскадное регенеративное импульсное устройство с трансформаторной положительной обратной связью, формирующее прямоугольные импульсы малой длительности (мкс и меньше), большой амплитуды и мощности. стр. 141 [2]

1. БГ в отличие от мультивибратора содержат только один усилитель.
2. Трансформатор усложняет конструкцию.
3. Применяя дополнительную нагрузочную обмотку можно развязать нагрузку от источника.
4. Применяя несколько нагрузочных обмоток можно получить несколько импульсов с разными полярностями и амплитудами или просто одинаковые импульсы, но много.
5. Применяется на мощную нагрузку.

Фронт импульса – прямой блокинг – процесс (ПБП).

Спад импульса – обратный блокинг – процесс (ОБП).

Пауза импульса – процессы при разряде конденсатора (как в  мультивибраторе).

Вершина импульса – процесс при перезаряде конденсатора (особенность блокинг – генератора).

Блокинг – генератор

Автоколебательный режим                                                   Ждущий режим

Автоколебательный режим блокинг – генератора стр. 206 -212 [1]

Схема автоколебательного блокинг – генератора

Резисторы Rк, Rдоп, Rш и диод улучшают форму и стабильность параметров генерируемых колебаний, но не имеют определенного значения. Мы их упоминать не будем.

Временные диаграммы блокинг - генератора

Алгоритм работы

Исходный момент t1: напряжение на разряжающемся конденсаторе спадает до нуля и транзистор VT отпирается.

Формирование переднего фронта импульса

1. Появился iк, а в сердечнике трансформатора появился магнитный поток. Iк наводит в базовой обмотке wб ЭДС eб, полярность показана на схеме. Эта ЭДС дополнительно приоткрывает транзистор VT, ток коллектора транзистора VT увеличивается, ЭДС увеличивается и т.д., происходит лавинообразный процесс и транзистор VT оказывается в области насыщения. Транзистор теряет усилительные свойства, и изменение потенциала базы перестает влиять на изменения коллекторного тока. На этом заканчивается формирование фронта.
2. В интервале времени t1 - t2 индуцируется ЭДС и в обмотке wк (полярность показана на схеме), так что потенциал коллектора лавинообразно изменяется Uк = -(Eк-eкmax).
3. ЭДС eб лавинообразно изменяется Uб = -eбmax

Формирование плоской вершины импульса

1. За кратковременный интервал t1 - t2 состояния конденсатора не меняется. Только под действием ЭДС eб конденсатор С начинает заряжаться через открытый эмиттерный переход (транзистор находится в режиме насыщения).
2. Напряжение на конденсаторе быстро достигает UСmax, а напряжение на базе

(Uб = -eб + UС) и базовый ток уменьшаются iб  ↓.

Транзистор выходит из режима насыщения. На этом заканчивается формирование плоской вершины.

Формирование среза импульса

1. Так как транзистор вышел из режима насыщения, то ik ↓, то скорость нарастания магнитного потока уменьшается, → в базовой обмотке индуктируется меньшая ЭДС eб, что дополнительно снижает отрицательный потенциал базы  - коллекторный ток еще меньше становится и т.д.
2. Как только eб  по абсолютному значению станет меньше UСmax это приводит к запиранию транзистора.
3. После этого магнитный поток начинает быстро спадать и ЭДС в обмотках меняют полярность. В результате в кривых Uк и Uб имеет место кратковременные выбросы ΔUк и ΔUб .

За счет индуктивности коллекторной обмотки ток iк не может мгновенно уменьшиться до нуля и после запирания транзистора замыкается через межвитковые емкости трансформатора – упомянутые выбросы, а затем и колебания, которые затухают, колебательный контур образовался  -  для устранения этих колебаний введены диоды.

Формирование паузы

1. После запирания начинается разрядка конденсатора до напряжения UС = - (Eк + Iк0Rб) от UСmax. (Iк0 – обратный ток коллекторного перехода).
2. Когда UС = 0, транзистор отопрется, после чего начинается формирование нового импульса.

 Конденсатор С, определяющий длительности импульса и паузы, является времязадающим (хронирующим) конденсатором.

Ждущий блокинг – генератор  стр. 215 – 217 [1]

Когда необходимо, чтобы каждый импульс на выходе генератора появлялся только при подаче на вход запускающего импульса, используется ждущий режим.

В исходном состоянии блокинг – генератор заперт. С приходом запирающего импульса он формирует один импульс и снова запирается до прихода на вход очередного.

Ждущий режим может быть обеспечен различными способами.

Схема ждущего блокинг – генератора, где Езап осуществляется источником Ез.

Схема ждущего блокинг – генератора, где Ез 

осуществляется от общего коллекторного источника.

Обмотка 1 – коллекторная

Обмотка 2 – базовая

Обмотка 3 – нагрузочная.

Алгоритм работы

Исходное состояние БГ

1. Транзистор VT закрыт  за счет Eз, 1к = const  → Uоб2 и Uоб3 = 0.
2. Конденсатор C заряжается до Uз через   R1, R6  и обмотку  2 («-« на правой обкладке).

Запуск

1. Uвx = └┘     проходит через Cp  на  базу  VT → Uб отриц. → VT отпирается →

1к ↑.

Прямой блокинг-процесс (формирование фронта  импульса)

1. 1к ↑ → возбуждение в обмотке базы → сильная  обратная положительная обратная связь → лавинообразное нарастание  1к, С заряжается током базы, VT входит в режим насыщения, прекращается прямой блокинг-процесс, Uк=0, все происходит скачком.

Формирование вершины импульса (квазиустойчивое состояние)

По мере заряда C напряжение на нем повышается, а тон заряда (базы) понижается следует снижение уровня  насыщения VT , но он еще насыщен.

Обратный блокинг-процесс (формирование среза импульса)

Как только кажущейся ток коллектора станет меньше тока насыщения, VT выйдет из режима насыщения, 1к  ↓ → положительное напряжение на обмотке базы → большое запирание VT → сильная обратная положительная связь → лавинообразный процесс, полное запирание транзистора, лавинообразный процесс прекращается, все происходит скачком. Возникающая в базовой обмотке трансформатора ЭДС заряжает емкость С.

Установление исходного состояния

С разряжается через Rб, источник Eсм и базовую обмотку трансформатора          за напряжение Eсм .

Разряд происходит медленно . Схема приходит в исходное состояние и ждет запуска.

Синхронизированный блокинг-генератор   стр. 217[1]

В автоколебательном режиме  блокинг-генератору свойственна относительно низкая стабильность частоты. В целях ее повышения блокинг-генератор нередко синхронизируют импульсами с большой стабильностью периода.

Синхроимпульсы можно подводить к различным электродам транзистора, но с таким расчетом, чтобы на базу действовали импульсы отрицательной полярности.

Принципиально работа блокинг – генератора в режиме синхронизации частоты не отличается от работы мультивибратора в том же режиме. Она сводится к тому, что синхроимпульсы с периодом Тсин < Тбл ген открывают запертый транзистор блокинг – генератора несколько раньше того момента, в которой он открылся бы самостоятельно. При этом стабильность частоты блокинг – генератора определяется  стабильностью синхронизирующих импульсов.

Блокинг – генератор можно использовать и для деления частоты

В этом режиме период колебаний блокинг – генератора должен быть в несколько раз больше периода следования синхроимпульсов, а их амплитуда должна быть небольшой, чтобы транзистор блокинг – генератора отпирался не каждым синхроимпульсом, а через определенное число периодов.

Временные диаграммы, поясняющие работу              fвх = 1 МГц                         Т = 1 мкс

блокинг – генератора в режиме деления частоты        fвых = ?

Блокинг – генератор на интегральной схеме

Схема блокинг – генератора

на интегральной микросхеме

(автоколебательный)

Отечественная промышленность выпускает микросхему 119АГ1, на которой могут быть собраны автоколебательный и ждущий блокинг – генераторы.

К микросхеме присоединены навесные элементы: импульсный трансформатор, элементы Rб и С базовой времязадающей цепи, резистор Rдоп, стабилизирующий длительность формирующего импульса, и конденсатор Сф фильтра. Эти элементы аналогичны элементам автоколебательного блокинг – генератора на транзисторах.

Ряд незадействованных выводов микросхемы используется при выполнении ждущего блокинг – генератора.

РАЗДЕЛ 5.  ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА (ГЛИН и ГЛИТ)   стр. 220 – 237 [1]

        Тема 5.1.  Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)  

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), или генераторы пилообразных напряжений, предназначены для формирования импульсов выходного напряжения, имеющих форму неравностороннего треугольника. Такое изменение напряжения часто называется пилообразным.

Применение: радиовысотомеры                  Применение: 1) в развертках

                                                                 осциллографов; 2) электронно -    

                                                       лучевых трубках (электростатическое

                                                       отклонение луча); 3) в телевизорах

                                                        (в трубках с электромагнитным  

                                                        отклонением); 4)устройства задержки

                                                         импульсов на калиброванное время;

                                                         преобразователи аналог – код; 6) для  

                                                         получения линейно изменяющего тока

                                                         (ЛИТ).

Временная диаграмма

пилообразного импульса

Параметры пилообразного импульса

1) Передний фронт (прямой или рабочий ход) является линейно изменяющимся напряжением или током.

2) Задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону.

3) Начальный уровень U0

4) Амплитуда Um

5) Длительность прямого хода tпр

6) Длительность обратного хода tобр

7) Средняя скорость K нарастания прямого фронта;

8) Коэффициент нелинейности γ

‌‌‌│Kmax│- модуль скорости в начале фронта, │Kmin│- модуль скорости в конце фронта;

9) Коэффициент использования напряжения источника питания ε

 - показывает насколько амплитуда пилообразного импульса меньше предельно возможной.

Линейно изменяющуюся функцию можно представить как результат интегрирования во времени постоянной величины:

Поэтому ЛИН получают с помощью интегратора, к выходу его подключают постоянное напряжение, и, таким образом, он оказывается генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

ГЛИН (интегратор) содержит конденсатор, на котором формируется линейно изменяющееся напряжение, цепи зарядки и разрядки.

Различаются такие генераторы способом стабилизации тока зарядки (разрядки) конденсатора, благодаря которой повышается линейность формируемого напряжения.

Интегратор в виде RC – цепи    Интегратор на операционном усилителе

Так как скорость зарядки (разрядки) конденсатора пропорциональна току через него, то можно записать в виде

,

где ICнач и ICкон – соответственно токи конденсатора в начале и конце формирования ЛИН.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения

При невысоких требованиях к линейности напряжения специальных мер для стабилизации тока конденсатора не применяют, имея в виду, что в начале зарядки (разрядки) он мало меняется.

1. Действительно, за время t = 3τ (τ – постоянная времени цепи зарядки) заряжается до напряжения U = 0,95Е (Е – напряжение источника).
2. Если выбрать τ  >> tпр, то за время tпр конденсатор успеет зарядиться до напряжения UС (очень незначительная часть напряжения Е), поэтому ток зарядки меняется незначительно

Iз = UR/R = (Е – UС)/R

Интегрирующая      Временные диаграммы

 цепь

Относительно линейный участок экспоненты соответствует переднему фронту формируемого пилообразного импульса.

Аналогично мало меняется ток в начале разрядки конденсатора, в ходе которой может быть сформировано линейно спадающее напряжение.

Схемы ГЛИН, в которых не предусмотрена стабилизация тока

I.

Схема ГЛИН                        Временные диаграммы

Схема представляет собой: 1) интегрирующая цепь RC, 2) дополнительная транзисторным каскадом, коммутирующим конденсатор с зарядки на разрядку.

Алгоритм работы

1. С поступлением управляющего импульса транзистор VT запирается. Конденсатор начинает заряжаться по цепи (+ Ек) – «земля» - С – Rк – (-Ек) с постоянной времени τз = СRк  → происходит нарастание отрицательного напряжения на выходе схемы.

2. После окончания входного (управляющего) импульса транзистор VT отпирается и конденсатор С через него быстро разряжается.

Чтобы обеспечить линейность прямого хода, выбирают

τз >> tи,

за счет этого зарядка конденсатора соответствует начальному относительно линейному участку экспоненты, но здесь есть «но»:

чем больше τз превосходит tпр, тем меньше напряжение Um, до которого заряжается конденсатор за время tпр (тем меньше коэффициент использования напряжения источника Ек).

Параметры схемы должны удовлетворять условию:

Пример. Дано: линейность γ = 1%, Е = 100 В

                Найти: Um

Решение:

1) IСнач = Ек/Rк;     IСкон  = (Ек - Um)/Rк; если Um << Ек, то γ = Um/ Ек

2) UС0  ≈  0, т.к. транзистор насыщен, то ε  ≈  Um/ Ек,

3) Из 1) и 2) → ε = γ,

4) γ = 1%, Е = 100 В → Um = γ·Е = 0,01·100 = 1 В.

Стремление повысить коэффициент ε  неизбежно ведет к ухудшению линейности. Эту схему используют, когда допустима большая нелинейность.

II.

Схема ГЛИН, в которой не предусмотрена стабилизация тока

Эта схема аналогична первой, отличие: разряд конденсатора происходит через резистор R.

Генераторы ЛИН с токостабилизирующим элементом

Схема ГЛИН, в котором предусмотрена стабилизация тока

Напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно из-за уменьшения тока в процессе зарядки (разрядки)

iз = UR/R = (E – UC)/R →

ток в цепи остается постоянным, если напряжение UR (на том элементе, через который происходит разрядка, сохраняется неизменным). Вместо R надо взять токостабилизирующий элемент – это транзистор, вольт амперные характеристики имеют пологий участок.

Стабилизирующее действие ощутимо при использовании транзистора в схеме с общей базой, у которого выходные характеристики iк = f(Uкб) при iэ = const имеют в β раз меньший наклон, чем в схеме с общим эмиттером.

В схеме токостабилизирующий элемент включается последовательно с конденсатором вместо резистора, через который в предыдущих схемах проходил зарядный (разрядный) ток.

Алгоритм работы

По мере зарядки напряжение на конденсаторе увеличивается, на транзисторе VT2 уменьшается.

Вольт-амперные характкристики транзистора с ОБ (VT2)

Напряжение Uкб меняется, а ток iк мало меняется.

1. В исходном состоянии транзистор VT1 насыщен и за счет малого сопротивления Rк  Uвых = UС  ≈  Ек.
2. Пришел управляющий импульс, транзистор VT1 запирается и конденсатор С начинает разряжаться через стабилизирующий элемент на транзисторе VT2. Необходимо постоянство эмиттерного тока iэ. (Несмотря на то, что транзистор VT2 собран по схеме с общим ОЭ, но при достаточно большом Rэ и отрицательной обратной связи он ведет себя как по схеме с ОБ, т.е. выходные характеристики пологие.

Вывод: ток коллектора изменяется незначительно – разрядка конденсатора С осуществляется почти неизменным током, т.е. линейно).

ГЛИН компенсационного типа

        Ток зарядки конденсатора С окажется неизменным, если в его цепи будет действовать источник (назовем его компенсирующим), напряжение Uк которого «следит» за напряжением UС и в любой момент времени компенсирует его. Генераторы ЛИН, в которых реализуется указанный принцип, называют генератором компенсационного типа.

Схема, иллюстрирующая принцип      Схема ГЛИН компенсационного          

компенсации изменяющегося нап-      типа с положительной обратной

ряжения на конденсаторе С                  связью

                                Iз = (Е - UС + Uк)/R = E/R = const

Напряжение Uк действует согласно с напряжением Е и встречно с напряжением UС.

1. Согласное включение Uк и Е достигается наличием в схеме положительной обратной связи - - - - ГЛИН с положительной обратной связью.
2. Встречное включение  Uк и UС достигается наличием в схеме отрицательной обратной связи - · - · - ГЛИН с отрицательной обратной связью.

Схема ГЛИН компенсационного типа с отрицательной обратной связью

Роль компенсирующего источника в схеме выполняет операционный усилитель; чем ближе он приближается к идеальному, тем точнее Uвых компенсирует UС.

        Обратный ход пилообразного импульса формируется в процессе быстрой разрядки конденсатора С после замыкания ключа Кл.

Фантастронный генератор (фантастрон)

Фантострон генерирует пилообразные импульсы с высокой линейностью переднего фронта. Он может работать в ждущем и автоколебательном режимах.

Ранее рассматривались генераторы ЛИН, длительность переднего фронта которых равна длительности управляющего импульса; однако получение такого импульса затруднительно.

Особенность фантастронного генератора заключается в том, что длительность переднего фронта выходного импульса определяется только параметрами схемы.

        Ждущий фантастрон

1. Запускается кратковременным импульсом, который лавинообразоно приводит его в состояние, где возможна разрядка конденсатора.
2. По прошествии некоторого времени (определяемого параметрами схемы) самостоятельно и тоже лавинообразно возвращается в исходное состояние, в котором конденсатор заряжается.

Автоколебательный фантастрон

1. Самостоятельно переходит из одного состояние в другое.
2. Длительность каждого импульса определяется параметрами схемы.

Общее

1. Стабилизация разрядного тока конденсатора фантастрона осуществляется также, как в ГЛИН с отрицательной обратной связью.
2. Лавинообразное изменение в схеме, обеспечивающее переключение конденсатора с зарядки на разрядку и обратно, связаны в фантастроне с перераспределением тока между отдельными цепями.

Схема фантастрона в ждущем                Временные диаграммы

 режиме

1. Отрицательная обратная связь осуществляется конденсатором С. Когда VT2 и VT3 открыты, протекает один и тот же ток, управлять которым можно по базе VT2 или VT3.
2. Переключение конденсатора с зарядки на разрядку и обратно происходит при изменении режима транзистора VT2. (Эти изменения происходят в схеме лавинообразно).
3. Транзисторы VT1 и VT2 открыты поочередно, транзистор VT3 отперт постоянно.
4. В фантастронном генераторе ЛИН формируется на коллекторе VT2.
5. Параметры схемы подобраны так, что в исходном состоянии:

а) транзистор VT1 насыщен;

б) транзистор VT2 заперт;

в) транзистор VT3 находится на границе насыщения;

г) конденсатор С заряжен до некоторого насыщения (в предыдущей стадии).

Длительность tпр рабочей стадии можно регулировать переменным резистором.

Временная диаграмма, поясняющая регулировку длительности tпр рабочей стадии

Фантастрон в автоколебательном режиме

        В автоколебательном фантастроне должны происходить процессы, в результате которых базе транзистора VT2 без воздействия запускающих импульсов периодически сообщается отрицательный потенциал. Этого можно добиться, если резистор R1 заменить конденсатором (перезаряд которого обеспечит периодическое изменение потенциалов в схеме), а нижний конец резистора R2 соединить с минусом источника.

Схема фантастрона в автоколебательном режиме

Тема 5.2. Генераторы линейно изменяющегося тока (ГЛИТ)

        Генераторы ЛИТ обеспечивают линейное нарастание тока в отклоняющих катушках электронно- лучевых трубок.

        Определим форму, которую должно иметь напряжение Uк на катушке, чтобы через нее проходил линейно нарастающий ток

i = K1t (где   - скорость нарастания тока),

Uк = UL + Ur =

LK1 – постоянная составляющая U0,

K1rt – линейно нарастающая составляющая.

        Рассуждая аналогично, приходим к выводу, что для формирования тока, линейно убывающего со скоростью |К2| > К1 (в интервале времени t1 -_t2), напряжение на катушке должно иметь постоянную составляющую LK2 и линейно спадающую составляющую k2rt.

        Сложив графически составляющие UL и Ur получим необходимую форму напряжения Uк на катушке.

Схема катушек с    Временные диаграммы            Схема ГЛИН

идуктивностью L    катушки L r

и активным сопро-

тивлением r

Схема ГЛИТ состоит из генератора пилообразного напряжения с начальным скачком U0 (на транзисторе VT1) и эмиттерного повторителя (на транзисторе VT2), нагрузкой которого являются отклоняющие катушки.

        Получить идеальную форму напряжения Uвх на катушке практически невозможно по двум причинам:

1. невозможно получить идеальный скачок напряжения на катушке из-за паразитной межвитковой емкости, которая ранее принималась равной нулю,
2. невозможно получить идеального нарастания напряжения.