13 Вопрос Автогенераторы

Во всех импульсных устройствах приходится иметь дело, как правило, только с двумя уровнями сигнала. Общим для всех является работа полупроводниковых приборов в ключевом режиме. Это предполагает возможность минимизации рассеивае­мой в них мощности и, следовательно, использование при изготов­лении методов гибридной и полупроводниковой технологий. По­следнее является главной причиной широкого использования уст­ройств импульсной электроники, позволяющих разрабатывать на своей основе надежные, экономичные, малогабаритные системы, предназначенные для решения различных практических задач.

Основные принципы работы и построения импульсных уст­ройств рассмотрим на примере нескольких наиболее типичных схем, выполненных на биполярных транзисторах.

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы вы­ходного напряжения различают: генераторы гармонических ко­лебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Не зависимо от формы выходного напряжения любой генера­тор может работать в одном из двух режимов: режим автоколе­баний; режим запуска внешними импульсами.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно на­зывают автогенератором. Выходное переменное напряжение фор­мируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управ­ляющего воздействия.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импуль­сами, после подключения источника питания могут сколь угодно долго находиться в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератора, на его выходе формируется выходной сигнал, параметры которого полностью определяются собствен­ными характеристиками устройства. Такой режим работы часто называют ждущим или заторможенным. Большое распростране­ние получили заторможенные мультивибраторы — одновибраторы.

В соответствии со сказанным, автогенераторный режим рабо­ты применяется в устройствах, используемых в основном в каче­стве задающих генераторов, а ждущий — в устройствах, преобра­зующих форму импульсов к требуемому виду.

Условия самовозбуждения автогенератора (баланс амплитуд и фаз). Пусть имеются два четырехполюсника: первый - с комплексным коэффициентом усиления(используется модуль коэффициента усиления на час­тоте, сдвиг фаз между выходным и вход­ным напряжениями усилителя и на частоте), второй - с комплексным коэффициентом передачи (используется модуль коэффициента передачи на частоте, сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями четырехполюсника, на частоте).

Соединив оба четырехполюсника, получим усилительное устройство со встроенным каналом обратной связи, обеспечивающим суммирование выходного сиг­нала четырехполюсника с коэффициентом передачи и с входным сигналом четырехполюсника.

Если условия балан­са фаз (11.12) и условие баланса амплитуд (11.13) выполняются только для од­ной частоты, то на выходе схемы присутствуют колебания толь­ко этой единственной частоты и устройство является автогенера­тором гармонических колебаний. Если указанные условия выполняются для нескольких частот, то выходное напряжение имеет негармонический характер. В частном случае, когда условия вы­полнены для бесконечного диапазона частот, выходное напряжение генератора имеет вид перепадов напряжения или тока.

14. ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Подобно генераторам синусоидальных колебаний импульсные ге­нераторы работают в режиме самовозбуждения. Это означает, что в состав такого устройства входит широкополосный по частоте усили­тель и звено положительной обратной связи, куда входит элемент, накапливающий энергию от источника питания. Такими элементами, как известно, являются конденсаторы и индуктивные катушки (чаще применяются конденсаторы) Широкополосность усилителя является характерным признаком всех импульсных генераторов, так как усло­вие самовозбуждения АГр > 1 для получения, например, прямоуголь­ных импульсов, должно выполняться в широком спектре частот гар­монических колебаний, из которых состоят эти импульсы

Мультивибраторы Для получения прямоугольных импульсов ши­роко применяют мультивибраторы Мультивибраторы выпускаются в виде интегральных микросхем и часто выполняются на ОУ, в от­дельных случаях — на дискретных элементах, транзисторах, резисто­рах и конденсаторах.

Рис 4 9 Схема (а) и временные диаграммы (б) мультивибратора на onet рационном усилителе

Любой мультивибратор, как импульсный генератор, состоит из усилителя и ЯС-цепей. Мультивибраторы могут работать в режиме автоколебаний и в ждущем режиме.

В мультивибраторе, работающем в режиме автоколебаний, на вы­ходе непрерывно возникают импульсы прямоугольной формы У ждуще­го мультивибратора прямоугольный импульс на выходе появляется толь­ко тогда, когда на вход подается запускающий импульс.

На рис. 4.9,# представлена схема мультивибратора на ОУ, работа­ющего в режиме автоколебаний.

Рассматриваемый мультивибратор является симметричным, т.е. длительности импульса 1_И и паузы /_п равны (см.рис.4.9,6). Основной частью его является операционный усилитель с положительной обратной связью (Я], R_oc), называемый триггером Шмитта. Поэтому на выхо­де мультивибратора напряжение может быть равно U^^^ _макс либо ^выхмакс- Пусть выходное напряжение мультивибратора равно ^"выхмакс- Оно ^п0Дается, с одной стороны, на R₂C-neub (цепь отри­цательной обратной связи), а с другой — на К_ос#_гцепь (цепь пол­ожительной обратной связи). Конденсатор С начинает заряжаться от напряжения if"_{вых макс} через резистор R₂. При этом напряжение на конденсаторе w_c , а оно является напряжением на инвертирующем входе, непрерывно сравнивается с напряжением на неинвертирующем входе, которое равно Р^выхмакс, где р = R_{J(R_{+R_0i). Как только Напряжение на конденсаторе С достигает значения Р^выхмакс, вы­ходное напряжение мультивибратора скачком изменяется до ^ вых макс- С этого момента времени конденсатор С перезаряжается Через резистор R₂ , а напряжение на конденсаторе стремится к ^вых макс- ^{Но ког}Д^а напряжение на нем станет равным р[/ "_{вых макс},

15. УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Изменить уровень постоянного напряжения можно, используя нелинейные цепи с накопительными конденсаторами. Суть данно го метода заключается в периодическом заряде и разряде кон денсаторов, причем в зависимости от поставленной задачи на ин тервалах заряда и разряда изменяют схемы их взаимного соедн нения.Так, для уменьшения напряжения на интервале заряда к и<-точнику входного напряжения подсоединяют цепочку из последи вательно включенных накопительных конденсаторов. При разри де все конденсаторы подсоединяют к нагрузке параллельно.Для повышения напряжения, наоборот, конденсаторы заряжанм по параллельной схеме, а разряжают по последовательной.Поясним данный принцип на примере схемы, показанной и.г рис. 13.28. В общем случае она состоит из п однотипных диодни емкостных нелинейных цепей, содержащих собственно накопител!

Рнс. 13 28. Схема преобразователя напряжения на накопительных конденсаторе-500

ный конденсатор С„„ зарядный VD_3: и два разрядных VD_P,i и VD_Pi2 диода, а также зарядный S₃ и разрядный S_p ключи, пере­ключаемые синхронно и противофазно.Общим для рассмотренных схем умножения является их до­статочно высокое выходное сопротивление. Оно обратно пропор­ционально емкости накопительных конденсаторов и прямо про­порционально числу каскадов схемы. Поэтому для получения не­большой пульсации выходного напряжения нагрузка умножителей напряжения должна быть достаточно высокоомной.

С использованием данного принципа может быть разработано большое число различных схем умножения и деления напряжения-жен и я

схемы стабилизаторов.

Параметрический стабилизатор напряжения. Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне, приведена на рис. 13.16, а. Это параллельная схема стабилизации. В данной схеме для поддержания выходного напряжения на требуемом уровне используется участок обратно­го электрического пробоя стабилитрона VDI. Поясним принцип работы схемы рис. 13.16, а с использованием ВАХ стабилитрона (рис. 13.16,6).

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на использовании цепи ООС. Для реализации указанного принципа устройство кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) должно содержать измерительный элемент (ИЭ). элемен! сравнения и источник эталонного напряжения t/_iT (рис. 13.17f. Выходное напряжение измерительного элемента, пропорциональ­ное стабилизируемому параметру, сравнивается в элементе срав­нения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки u_am=U„—и_ИЗ — управляет коэффициентом передачи РЭ. Увели­чение и_ош, вызванное уменьшением выходного параметра, увели­чив коэффициент передачи РЭ, что ведет к восстановлению исход ного значения выходного напряжения. 11 наоборот, увеличение выходного напряжения, уменьшая сигнал ошибки, уменьшает ко­эффициент передачи РЭ

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывны» и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В не­прерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ ис­пользуют биполярный или полевой транзистор, работают»Л в ак­тивном режиме работы (режим генератора тока). В ключевых компенсационных стабилизаторах роль РЭ выполняют рассмот­ренные в гл. 10 импульсные усилители мощности.

Если выходное напряжение МЭ пропорционально выходному напряжению устройства, в схеме рис. 13.17 реализуется режим стабилизации напряжения (соответственно при измерении тока или выходной мощности можно получить стабилизаторы тока и мощности).

16.

а) Импульсные стабилизаторы напряжения.

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время вес более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее традиционных, и содержат большее число элементов. Однако, если не предъявлять чрезмерных требований к стабильности и пульсациям выходного напряжения, то их схема может быть значительно упрошена. Так, например, стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать всего на трех транзисторах (см.рисунок), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (VT3) является усилителем сигнала рассогласования.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора транзистора VT2 (он составной) через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора VT1. Транзистор VT2 периодически открывается до насыщения током, протекающих через резистор R2. Так как коэффициент передачи тока базы этого транзистора очень большой, то он насыщается при относительно небольшом базовом токе. Это позволяет выбрать сопротивление резистора R2 довольно большим и, следовательно, увеличить коэффициент передачи регулирующего элемента. Напряжение между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора VT1 меньше, чем напряжение открывания транзистора VT2 (в составном транзисторе, как известно, между вы кодами базы и эмиттера включено последовательно два р-п перехода), поэтому, когда транзистор VT1 открыт. VT2 надежно закрыт.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе VT3. Его эмиттер подключен к источнику образцового напряжения - стабилитрону VD2. а база - к делителю выходного напряжения R5-R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа, В рассматриваемом устройстве открыванием и закрыванием транзистора VT2 по сигналу транзистора VT3 управляет транзистор VT1. В моменты, когда транзистор VT2 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия. После закрывания транзистора запасенная энергии через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1C4.

Несмотря на простоту, стабилизатор обладает довольно высоким КПД. Так, при входном напряжении 24 В, выходном - 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84 %.

Дроссель 1.1 намотан на кольце К26X16Х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100 проводом диаметром 0.63 мм и содержит 100 витков. Индуктивность дросселя при токе подмагничивания 1А - около 1 мГн. Характеристики стабилизатора во многом определяются параметрами транзистора VT2 и диода VDI. быстродействие которых должно быть максимально возможным.

б) Интегральные стаби­лизаторы напряжения.

Узлы питания, по-видимому, являются самыми распространенными устройствами радиоэлектронной аппаратуры. Помимо трансформаторов с диодными мостами и емкостями или батареек (аккумуляторов) они содержат стабилизаторы напряжения. Самыми распространенными из последних являются линейные стабилизаторы, в которых регулируемый элемент включен параллельно или последовательно с нагрузкой и в зависимости от входного напряжения и потребляемого нагрузкой тока уменьшает или увеличивает свое сопротивление, сохраняя постоянным напряжение на выходе.

Условно все линейные интегральные стабилизаторы напряжения можно разделить на несколько групп. К первой можно отнести стабилизаторы на фиксированное выходное напряжение. Внутри этой группы изделия классифицируются по полярности формируемого на выходе напряжения (положительное или отрицательное относительно общего провода), по величине выходного напряжения и по максимальному току, отдаваемому в нагрузку. Перечисленные параметры являются ключевыми, остальные же либо взаимосвязаны с ними (рассеиваемая мощность, тип корпуса), либо в настоящее время играют второстепенную роль (коэффициент стабилизации, наличие индикатора разряда батарей и т. д.).

Вторую группу представляют регулируемые стабилизаторы, выходное напряжение которых может изменяться в некоторых определенных пределах. Они также различаются по полярности и по выходному току. В самостоятельную группу можно выделить многоканальные стабилизаторы, формирующие на выходах несколько напряжений, причем иногда даже разной полярности. И, наконец четвертая группа — относительно маломощные малогабаритные стабилизаторы, нередко характеризующиеся весьма малой минимально необходимой разностью напряжений между своими входом и выходом (вплоть до 0,1 В, так называемые «low-drop»).

Приступим к рассмотрению первой группы — стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. В табл. 1 и 2 представлен перечень выпускавшихся и выпускаемых отечественной промышленностью стабилизаторов соответственно положительной и отрицательной полярности, а в табл. 3 и 4 — перечень наиболее распространенных на отечественном рынке аналогичных импортных стабилизаторов.

в) Помехи в цепях питания и методы борьбы с ними.

17.

а) Аналоговые перемножители напряжений.

б) Устройство и принцип действия.

в) Умножители на основе управляемых источников тока.

г) Перемножители на компонентах с параболическими характеристиками

Аналоговый перемножитель сигналов (АПС) в интегральном исполнении - универсальный элемент в ряду линейных схем, находящий широкое применение в устройствах аналоговой обработки и преобразования сигналов. Аналоговый перемножитель сигналов является вторым по массовости применения после ОУ универсальным функциональным элементом, используемым для обработки аналоговых сигналов.

К операции умножения сводятся различные нелинейные и параметрические преобразования аналоговых сигналов, такие как модуляция, управление параметрами фильтров, усилителей, генераторов, вычисление и многие другие. Это устройство с двумя входами ( зачастую дифференциальными ); его выходное напряжение пропорционально произведению входных напряжений UX и UY

В общем случае аналоговое умножение двух сигналов можно осуществить тремя способами. В зависимости от этого различают косвенное умножение, квазиумножение и прямое умножение.

Устройство, в котором выходная величина математически представляется произведением входных величин X и Y, в виде суммы постоянных и изменяющихся величин с постоянными коэффициентами, а также в виде функций таких сумм, реализует косвенное умножение.

Устройство, в котором выходная величина изменяется пропорционально произведению двух непрeрывных, сильно монотонных функций, каждые из которых есть независимо изменяющиеся входные величины X и Y, pеализует квазиумножение.

Устройство, в котором выходная величина изменяется пропорционально произведению входных величин X и Y, каждая из которых изменяется независимо под воздействием внешних факторов, реализует прямое умножение.

Параболические ( квадратичные ) и логарифмические перемножители являются наиболее типичными функциональными преобразователями, которые используют косвенное умножение. К квазиперемножителям относятся АПС с амплитудно-частотной модуляцией, с мостом Уитсона ( с изменяющимися сопротивлениями в ветвях ), с управляемым делителем напряжений и т.д.

Прямое умножение возможно осуществить различными методами, например на основе использования преобразователей Холла, электронно-лучевых трубок, усилителей элементов с двойным управлением, управляемых сопротивлений, управляемых делителей тока и др. Широко используется при прямом умножении амплитудно - широтная импульсная модуляция (АШИМ).

В зависимости от разрешаемой полярности входных сигналов различают одно-, двух- и четырехквадрантные перемножители. Если разрешается подача на вход сигналов UX ,UY только одной полярности, то реализуется одноквадрантное перемножение. Если один из входных сигналов может иметь различную полярность, то мы имеем двухквадрантный перемножитель. И если UX и UY могут быть любой полярности то имеем четыpёхквадрантный перемножитель.

19. Аналоговые компараторы напряжения и их характеристики. Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование.

НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА Н КЛАССИФИКАЦИЯ

Вэлектронных системах одинаково широко используется обра ботка информации, представленной в аналоговой и цифровой фор мах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информации о различных физических величинах и процессах носит, как пра вило, аналоговый характер. Обработку же этой информации и силу причин, рассмотренных во введении, удобнее вести в цифрп вой форме. Использование полученных после цифровой обрабшки результатов также в большинстве случаев требует их аналогонот представления. Следовательно, любая система, использующий цифровые методы обработки информации, должна содержать уст­ройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигна­лов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Аналого-цифровой преобразователь — устройство, предназна­ченное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов. Цифро-аналоговый преобразователь — устройство, предназна­ченное для преобразования входной величины, представленной по­следовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины. В качестве аналоговой физической величины, оговоренной в данных определениях, в общем случае могут фигурировать раз­личные параметры, например угол поворота, линейное перемеще­ние, давление жидкости или газа и т. д. В дальнейшем под этой величиной будем понимать напряжение либо ток, которые, при необходимости, можно легко преобразовать в другие физические величины. Основным вопросом, с которым приходится сталкиваться при проектировании и использовании ЦАП и АЦП, янляется вопрос адекватности полученного в результате преобр'аюнання сигнала исходному физическому процессу, т. е. вопрос точности преобра­зования. Поэтому рассмотрим алгоритмы этих преобразований с точки зрения погрешностей, возникающих при их нмполнении. Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает по­следовательное выполнение следующих операций:

выборка значений исходной аналоговой величины а некоторые наперед заданные дискретные моменты времени, t е. дискретиза­ция сигнала по времени;

квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

кодирование — замена найденных квантованных значений не­которыми числовыми кодами. С позиции используемого метода преобразования все АЦП де­лятся на: устройства, реализующие метод последовательного счета, устройства, реализующие метод поразрядного кодирования, уст­ройства, реализующие метод считывания.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу по­следовательного счета, осуществляют уравновешивание входной аналоговой величины суммой одинаковых эталонов. Момент равен­ства этих величин фиксируется сравнивающим устройством. На выходе таких АЦП формируется последовательный единичный код. Далее этот код может быть преобразован к любому требуемому виду.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу по­разрядного кодирования, используют несколько эталонов. Причем их число равно числу разрядов, а значения пропорциональны ве­совым коэффициентам выходного позиционного кода. Каждый эта­лон сравнивается с входной величиной устройством сравнения. Процесс сравнения начинается с эталона, имеющего максималь­ное значение. В зависимости от результата этого сравнения фор­мируется цифра старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде формируется ну­левое значение и производится сравнение входной величины с наибольшим из оставшихся эталонов. Если максимальный эталон оказался меньше входной величины, то в старшем разряде выход­ного кода формируется сигнал лог. 1 и дальнейшему сравнению подлежит сигнал разности входной величины и максимального эталона. Аналогичные действия выполняются для всех используе­мых эталонов.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим основные электрические характеристики ЦАП и АЦП. Они подразделяются на статические, которые задают конеч­ную точность преобразования, и динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств. Статические характе­ристики преобразователей определяются видом характеристики преобразования, которая устанавливает соответствие между зна­чениями аналоговой величины и цифрового кода. К ним относятся.

Число разрядов (Ь) — число разрядов кода, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП. При использовании двоичного кода под Ь понимают двоичный логарифм от макси­мального числа кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП или входе ЦАП.

Абсолютная разрешающая способность—средние значения ми­нимального изменения сигнала на выходе ЦАП (а), или минималь­ного изменения входного сигнала АЦП (т), обусловленные увели­чением или уменьшением его кода на единицу.