книги из ГПНТБ / Цифровые многозначные элементы и структуры учеб. пособие

позволяет реализовать многоустойчивый элемент с k + 1 устойчивым состоянием [25]. Если же характеристики туннельных диодов подо­ браны так, что выполняются условия

тов основан на использовании амплитудной характеристики нелиней­

где К — коэффициент усиления цепи обратной связи, a U0— постоян­ ное смещение на ее выходе.

При решении системы уравнений (1.2) корни, соответствующие устойчивым состояниям схемы, определяются точками пересечения

10

Рис. 6. Принципы представления информации в многоустойчивых элементах.

элементы. Гармонические элементы подразделяют на частотные, фазо­ вые и амплитудные, а импульсные на частотно-импульсные, времяимпульсные, фазо-импульсные и амплитудно-импульсные. Существуют также элементы с комбинированными принципами представления ин­ формации (рис. 6).

§ 1.2. Частотно-гармонические элементы

Частотно-гармоническими называют элементы, у которых каждо­ му из k уровней квантования информационных сигналов однознач­ но соответствует частота гармонических колебаний. Известно несколь­

12

ко основных способов реализации таких элементов [25], отличающихся типом избирательной системы с управляемой резонансной частотой.

На рис. 7 изображена блок-схема одного из вариантов частотнотармонического элемента, в котором в качестве избирательной сис­ темы используется электрически перестраиваемый колебательный

Рис. 7. Блок-схема частотно-гармонического элемента.

контур ПК. В состав такого элемента входит также гребенчатый фильтр ГФ, усилитель У, детектор Д и фильтр низкой частоты ФНЧ. Динами­ ческие преобразования в таком элементе представляют собой преобра­ зования «напряжение— частота» и «частота — напряжение». Фильтр с гребенчатой характеристикой можно построить по блок-схеме, изо­ браженной на рис. 8. Он состоит из суммирующей схемы С и схемы вре­ менной задержки т. Если на вход этой схемы подано напряжение

Ul = U0sin©/,

то на выходе схемы задержки будет напряжение

U2= Unsin со (t — т),

а на выходе суммирующей схемы напряжение

Ui + U2~ U0(sin at + sin a(t — т)).

..

Переходя к изображениям напряжений IJ1 и Ua, находим операторный коэффициент передачи такой схемы:

модуль которого при р — }а равен

К (со)= 2 cos- у - .

13

Из последнего выражения видно, что амплитудно-частотная харак­ теристика схемы состоит из ряда чередующихся возрастающих и па­ дающих участков (рис. 9).

Если в схеме (рис. 7) замкнуть ключи К1 и К2, она превратится в ре­ лаксационный генератор, спектр колебаний которого содержит все частоты coj, со2, ..., wk. При разомкнутом ключе К1 условия самовоз­ буждения этого генератора выполняются только для той частоты, ко­ торая попадает в полосу пропускания контура ЛК- Если собственная частота сос контура не совпадает ни с одной из частот са1( ю2, •••>

система остается невозбужденной. Поставив сос в зависимость от час­ тоты генерации, получим устройство с несколькими устойчивыми со-

Рис. 10. Принципиальная схема частотно-гармонического многоустой чивого элемента.

стояниями, различающимися частотой генерируемых колебаний на выходе усилителя и величиной напряжения на выходе фильтра низ­ кой частоты.

Принципиальная схема частотно-гармонического многоустойчивого элемента, соответствующего блок-схеме (рис. 7), представлена на рис. 10 [251. Суммирующая схема выполнена на сопротивлениях R3, R4, R5, сопротивления R1 и R2 являются согласующими. Напряжение с выхода гребенчатого фильтра поступает на параллельный перестраива­ емый контур L1C1 и через обмотку связи L3 — на двухкаскадный тран­ зисторный усилитель. Коллекторной нагрузкой второго каскада уси­ лителя служит сопротивление R1, выбираемое из условия согласова­ ния выходных параметров усилителя и входных параметров схемы задержки. С выхода усилителя через цепочку C2R7 напряжение пода­ ется на базу транзистора ТЗ, детектируется переходом база — эмиттер и подается на обмотку L2, определяя величину тока подмагничивания, а следовательно, и частоту колебаний на выходе усилителя.

Характерной особенностью частотно-гармонических элементов с гребенчатыми фильтрами является их автономность. Каждый элемент представляет собой автогенератор, в котором частота колебаний, со­ ответствующая устойчивым состояниям, зависит от параметров его

14

схемы. Так как эти параметры не остаются постоянными в процессе работы, трудно согласовать условия совместной работы таких элемен­ тов. Подобных недостатков нет у неавтономных частотно-гармонических элементов. У них частоты колебаний, соответствующие устойчивым состояниям, вырабатываются внешним генератором, общим для всех

на на рис. 11. Здесь на перестраивае­

мый контур ПК подается периодическое напряжение U (i), спектр которого содержит составляющие с частотами од, о)2, ..., cofc (рис. 12). Если контур перестраивать напряжением Unx при разомкнутой цепи обратной связи, то спектральные составляющие, лежащие в диапазоне перестройки контура, будут поочередно попадать в его полосу пропус­ кания. Ограничив полосу пропускания контура некоторой величиной До = со,-— соt_1 (i = 1, 2, ..., k), получим гребенчатую зависимость амплитуды гармонических колебаний на выходе ПК от величины ВХОД­

ИЛ

Um

Ui

Рис. 12. Спектр напряжения, подаваемого на вход спектротрона.

Устойчивые состояния

Рис. 13. Амплитудная характеристика спектротрона.

ного напряжения. Если детектор Д линейный относительно средних значений напряжения, то амплитудную характеристику Uaых = / (UBX) можно изобразить, как на рис. 13. В спектротроне функции преобра­ зований напряжения в частоту и частоты в напряжение совмещены в перестраиваемом контуре.

15

Замыкание цепи обратной связи соответствует условию

стоянное смещение на ее входе. Значения Ку и U0 определяют смещение линии обратной связи относительно начала координат и угол ее на­ клона к оси абсцисс (рис. 13). Если внешним воздействием перестраи­ вать ПК так, чтобы спектральная составляющая со,- попала в полосу пропускания (рис. 12, кривая Л), то на выходе контура появится на­ пряжение Um, которое после детектирования и усиления будет при­ ближать настройку контура к частоте со,., то есть в системе будет уста­ навливаться положительная обратная связь. Если коэффициент обрат­ ной связи больше единицы, то развивается лавинообразный процесс, заканчивающийся переходом системы в устойчивое состояние (рис. 12, кривая Б). Напряжения Ut на выходе контура достаточно для того, чтобы удерживать в полосе пропускания частоту сог и после прекраще­ ния внешнего воздействия. Таким образом, спектротрон может иметь несколько устойчивых состояний, различающихся частотой колебаний на выходе контура и величиной напряжения на выходе усилителя. При этом число устойчивых состояний не зависит от количества ис­ пользуемых в схеме активных и пассивных элементов.

Чтобы определить число устойчивых состояний спектротрона и их признаки, необходимо получить аналитическое выражение для амплитудной характеристики системы (рис. 11). Если на контур спек­ тротрона подается напряжение питания

k

U (0 =■ S Uicos мМ i= 1

и собственная частота контура сос линейно зависит от входного на­ пряжения

“ с = ®о + aU„х,

то зависимость выходного напряжения UВЫх системы от входного UBX при разомкнутой петле обратной связи имеет вид [25]

где Кя — коэффициент передачи последовательного соединения детек­ тора и фильтра низкой частоты; Кс — резонансный коэффициент пере­ дачи перестраиваемого контура; Q — добротность контура.

Выражения (1.3) и (1.4) являются исходными для анализа ста­ ционарного режима работы спектротрона. Совместно решая уравне­ ния (1.3) и (1.4), определяют признаки устойчивых состояний спектро­

16

трона, однако эти уравнения не разрешимы в радикалах и их необхо­ димо упростить [25]. Выражение (1.4) справедливо для сколь угодно плотного расположения составляющих спектра напряжения питания. Когда же расстояние между соседними спектральными линиями А со значительно превышает полосу пропускания контура, можно пренеб­ речь влиянием соседних частот при настройке контура на частоту со(. Уравнение амплитудной характеристики при этом разбивается на не­ сколько независимых уравнений

каждое из которых справедливо в определенном диапазоне собствен­ ных частот контура. Дальнейшее совместнее решение уравнения

ресечения прямой обратной связи с каждым «всплеском» амплитудной характеристики. Число устойчивых состояний определяется количе­

Для увеличения числа состояний спектротрона необходимо увели' чивать КП или уменьшать Aw. При заданной добротности контура Q

нием, в принципиальной схеме спектротрона, (ряс. 14) контур LI L2JC2

перестраивается. Напряжение U (t) с заданным линейчатым спек­ тром подается на контур через конденсатор Cl. С выхода контура через обмотки связи L5 и L6 напряжение поступает на двухкаскадный уси­ литель постоянного тока, выполненный на транзисторах 77 и Т2, детектируется переходом база — эмиттер транзистора 77 и сглажива­ ется цепочкой СфЯф. Сглаженное напряжение усиливается транзисто­ ром Т2, коллекторной нагрузкой которого служат обмотки подмагничивания L3 и L4, включенные встречно, чтобы исключить шунтирую­ щее действие цепи подмагничивания на контур. Таким образом, схема охватывается обратной связью по постоянному току.

Напряжение U (t) с требуемым линейчатым спектром обеспечи­ вается за счет использования отдельных генераторов для каждой со­ ставляющей или за счет применения генератора релаксационных колебаний.

В описанной схеме спектротрона наиболее дорогостоящей и наи­ менее надежной частью является транзисторный усилитель. Исполь­ зование резонансного магнитного или диэлектрического усилителя позволяет совместить функции избирательности и усиления и тем са­ мым исключить из схемы спектротрона активные элементы. Принци­ пиальная схема спектротрона на базе диэлектрического усилителя изо­ бражена на рис. 15. Напряжение V (t) с линейчатым спектром поступа­ ет на колебательный контур Ь1С1Д1Д2. Резонансная частота этого кон­

тель внешней обратной связью. Использование внутренней обратной связи в нелинейном колебательном контуре позволяет получить пре­ дельно простую реализацию спектротрона. Один из вариантов схемы такого спектротрона с использованием нелинейной емкости р — « пе­ рехода представлен на рис. 16. Несмотря на простоту этой схемы,

18

в ней содержатся все элементы спектротрона в соответствии с блоксхемой (рис. 11). Напряжение питания U (t) через конденсатор С2 подается на параллельный колебательный контур, состоящий из ли­ нейной индуктивности и емкости последовательного соединения кон­ денсатора С1 и р — «-перехода полупроводникового прибора Д, в ка­ честве которого могут быть использованы кремниевые стабилитроны или переход база— коллектор транзисторов. Устойчивые состояния спектротрона различаются частотой колебаний на контуре и напря­ жением на конденсаторе С1.

Для передачи информации в схемах, построенных на основе спектротронов, обычно используют кратковременное воздействие на ем­ кость фильтра низкой частоты, приводящее к изменению ее заряда. Такой способ управления ь(1)

спектротроном обеспечивает наибольшее быстро­ действие элемента [15].

Перевод спектротрона из одного состояния в другое можно также осуществить, вызвав внеш­ ним воздействием кратковременную перестрой­ ку контура. Это достигается, например, измене­ нием коэффициента усиления. Однако такой спо­ соб управления спектротроном критичен к ам­ плитуде и длительности внешнего воздействия.

Другой способ управления спектротроном состоит в кратковре­ менном разрыве петли обратной связи, что можно осуществить, от­ ключая, например, напряжение U (t) с линейчатым спектром, шунти­ руя контур или отключая его от входа последующего звена. При этом устраняется критичность к амплитуде внешнего воздействия, но со­ храняется критичность к его длительности.

Высокой надежностью отличаются способы управления спектро­ троном путем кратковременного смещения амплитудной характеристи­ ки. Такое смещение осуществляется изменением собственной частоты контура или сменой спектров питающего напряжения. Эти способы управления спектротроном подробно описаны в [25].

§ 1.3. Фазо-гармонические элементы

Элементы, устойчивые состояния которых отличаются фазой гар­ монических колебаний, называют фазо-гармоническими. Принцип действия многих фазо-гармонических элементов основан на явлении параметрического резонанса. Сами же элементы такого типа полу­ чили название параметрических генераторов, или параметронов.

Параметрон представляет собой резонансную цепь, в которой периодически изменяется индуктивность или емкость. В соответствии с этим различают индуктивные и емкостные параметроны (рис, 17).

19