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

В индуктивном параметроне (рис. 17, а) индуктивность L = Ьг + + L2вместе с конденсатором С образует контур с резонансной частотой со„. В обмотки W1 и W2 подается ток возбуждения, изменяющийся по гармоническому закону с частотой 2со0, а также постоянный ток сме­ щения, служащий для выбора рабочей точки на характеристике фер­ ритового сердечника и настройки контура на частоту, близкую к со0. Наличие симметрии в схеме параметрона исключает появление четных гармоник в выходном сигнале.

В емкостном параметроне (рис. 17, б) резонансный контур образует индуктивность L и два нелинейных конденсатора С1 и С2, в качестве

Рис. 17. Принципиальные схемы параметронов:

а — индуктивного; б — емкостного.

которых обычно используются емкости р — n-переходов полупровод­ никовых приборов. Между средней точкой индуктивности L и средней точкой нелинейных конденсаторов действует напряжение возбуж­ дения с частотой 2со0 и постоянное напряжение смещения, необхо­ димое для настройки контура на частоту, близкую к частоте субгар­ моники напряжения возбуждения.

Таким образом, в индуктивном параметроне изменяется с часто­ той 2со0 индуктивность L, а в емкостном — изменяется с такой же час-

С 4- С

тотой емкость С = 1.7Г 2 . При этом в контуре могут возникнуть

CiCo

нарастающие колебания. Это явление называют параметрическим воз­ буждением колебаний.

Рассмотрим упрощенную модель возникновения параметрических колебаний на примере индуктивного параметрона. Пусть контур па­ раметрона находится в режиме свободных колебаний с частотой со и в момент времени t0 по индуктивности протекает ток i. В этом случае запас энергии в индуктивности будет равен

Предположим, что в момент t0 величина тока i в индуктивности L максимальна и в этот же момент индуктивность уменьшается на вели­ чину AL настолько быстро, что ток не успевает измениться. На умень­ шение индуктивности затрачивается работа внешнего источника. При

20

этом энергия, запасенная в индуктивности, изменяется на величину

После того как энергия колебательного контура получила прира­ щение АЕ, ток в индуктивности уменьшается и запасенная в ней элек­ тромагнитная энергия переходит в электростатическую энергию кон­ денсатора. Если в момент, когда вся энергия контура сосредоточится в электрическом поле конденсатора, увеличить индуктивность на вели­ чину AL, то энергия контура не изменится. Через половину периода собственной частоты со контура ток в индуктивности опять достигает максимальной величины. Если в этот момент снова изменить индуктив­ ность на величину AL,to энергия в контуре увеличится на туже вели­ чину АЕ.

Таким образом, за полный период колебаний в контуре полное приращение энергии за счет работы внешнего источника составило

2АЕ = 2Е - ^ - .

За это же время контур теряет часть энергии АЕП

АЕп = 2лоЕ,

где ст — затухание контура.

Если энергия, поступающая в контур от внешнего источника, будет превышать потери, то в нем возникнут и будут нарастать колеба­ ния с частотой со0, условие существования которых можно записать в

Уменьшение индуктивности в момент, когда ток максимален, приводит к увеличению энергии в контуре независимо от направления тока. Поэтому фаза установившихся колебаний может иметь только одно из двух значений, отличающихся между собой на 180°. Фаза этих коле­ баний и является признаком устойчивых состояний бистабильного

параметрона. Если коэффициент модуляции т |для емкостного пара­

метром т — значительно больше коэффициента затухания а, то

параметрон находится в так называемом «жестком» режиме возбужде­ ния. При этом он имеет три устойчивых состояния, два из которых характеризуются колебаниями с фазами 0 и 180°, а третье— отсутстви­ ем колебаний.

21

Для управления фазами колебаний необходимо подать в контур параметрона колебания, которые по мощности превосходят колеба­ ния в контуре. Мощность управляющих сигналов можно уменьшить, если предварительно погасить колебания в контуре параметрона. Для смены фаз параметрических колебаний в зависимости от поступа­

пряжения питания, сдвинутые на 73 периода полного цикла пере­ дачи информации.

Емкостные параметроны характеризуются высоким быстродейст­ вием. Частота со0 в таких параметронах достигает десятков мегагерц, а время переключения составляет несколько наносекунд.

Параметроны индуктивного типа характеризуются более низким быстродействием, которое обусловлено большим временем перемагничивания ферритовых сердечников.

Фазо-гармонические элементы, имеющие больше трех устойчивых состояний, можно построить на основе двухконтурного параметриче­ ского генератора, работающего в режиме взаимной синхронизации гене­ рируемых колебаний. В таком генераторе (рис. 18) осуществляется параметрическое возбуждение системы двух колебательных кон­ туров с собственными частотами о>! и со2. благодаря воздействию на

трически возбужденных колебаний могут принимать лишь k -f 1 фиксированное значение, каждое из которых отличается друг от друга

на угол -j|4p-p Для управления фазами колебаний в двухконтурном

параметроне можно использовать те же способы, что и для одноконтур­ ного параметрона.

22

На рис. 19 представлена схема фазо-гармонического элемента,

вкотором не используется параметрическое возбуждение колебаний

[26].Схема состоит из диода Д, транзистора Т и контура L1C, настро­

енного на частоту -у, (к = 2, 3, ...). На вход схемы подается периоди-

базы — отрицательное. Таким образом в контуре будут поддерживать­

ся колебания с частотой Из-за нелинейности характеристик тран-

зистора для запуска схемы в контур необходимо подать небольшой начальный сигнал. Фаза этого сигнала определяет фазу дальнейших колебаний в контуре, то есть фазу выходного напряжения UBm - Схе­ мой также можно управлять посредством подачи сигнала на базу транзистора.

§ 1.4. Частотно-импульсные элементы

Многоустойчивые элементы, у которых каждому устойчивому сос­ тоянию соответствует определенная частота периодической последова­ тельности импульсов, называют частотно-импульсными. При построе­

релаксационных колебаний ГРК, колебательного контура К, детектора со сглаживающим фильтром Д и усилителя У. При этом резонансная частота контура К в несколько раз превосходит частоту основной гармоники колебаний контура ГРК- Пусть при отсутствии управляю­ щего напряжения на выходе усилителя генератор ГРК генерирует пе-

23

риодические колебания U с периодом Т. В этом случае его спектр состо-

этих гармоник, то напряжения на выходе усилителя нет и период ко­ лебаний ГРК не изменяется.

Уменьшение периода колебаний ГРК посредством кратковременно­ го внешнего воздействия приводит к тому, что гармоника оа, попадает в полосу пропускания контура К- Вследствие этого на выходе контура появляется напряжение, которое после детектирования и усиления вы­ зывает дальнейшее уменьшение периода колебаний ГРК, Этот лавино­ образный процесс заканчивается переходом системы в устойчивое со­ стояние, при котором гармоника со, находится в полосе пропускания контура, а величина напряжения на его выходе оказывается достаточ­ ной для поддерживания периода колебаний ГР К приблизительно рав­

Число и признаки устойчивых состояний такого частотно-импульс­ ного элемента могут быть найдены методами графического или числен­ ного решения системы уравнений, описывающих его стационарный ре­ жим работы [25 ]

и Р

( 1.6)

и вых

где U[ — амплитуда колебаний /-й гармоники с частотой со,-; Q — доб­ ротность контура. Система (1.6) построена исходя из предположений, что в схеме использован линейный детектор с коэффициентом передачи Кя и, кроме того, что

со; = i (aUBX+ b(O0),

где со0 — частота колебаний ГРК при UBx = 0.

Число устойчивых состояний элемента при заданном диапазоне изменения периода колебаний ГРК зависит от отношения резонансной частоты контура к частоте основной гармоники генератора и уве­ личивается с ростом Юр. Однако предельная частота настройки контура ограничена его добротностью, так как в полосу пропускания должна попадать только одна гармоника.

Принципиальная схема частотно-импульсного элемента, построенно­ го в соответствии с блок-схемой (рис. 20), представлена на рис. 21. Здесь в качестве ГРК используется блокинг-генератор на транзисторе Т1. Колебательный контур образуют индуктивность L и конденсаторы С2

24

и СЗ. Напряженнее конденсатора СЗподается на базу транзистора Т2 и детектируется его переходом база — эмиттер. Усиленный и сглажен­

одного состояния в другое можно, непосредственно воздействуя управ­ ляющим сигналом на ГРК или же на емкость фильтра. При этом вы­ ходной сигнал ГР К может быть использован для управления другими

аналогичными элементами.

ного релаксационного генератора ГРС и дискриминатора Д. Пусть при разомкнутой цепи обратной связи, а также при отсутствии синхро­ низирующего Uc и управляющего UBX напряжений период колебаний генератора Т = Т0 и постоянное напряжение на выходе дискримина­ тора равно нулю. Подача на управляющий вход ГРС напряжения UBX определенной полярности изменяет период его колебаний, что сопро­ вождается изменением напряжения на выходе дискриминатора. Если зависимости Т = /у (UBX) и Пвых = /2 (Т) линейны, то амплитудная характеристика устройства также будет линейной.

При воздействии на ГРС синхронизирующего напряжения Uct период которого Тс не превышает наименьшего значения Т периода обственных колебаний генератора, схема будет работать в режиме де­ ления частоты, то есть период Г больше периода Гсв целое число раз.

*С

вчастности, величиной управляющего напряжения UBX. При плавном

изменении UBXкоэффициент деления изменяется дискретно, что вызы­ вает дискретное измерение периода Т и напряжения Uвых (рис. 23).

Таким образом, элемент, выполненный в соответствии с блоксхемой (рис. 22), при охвате его положительной обратной связью имеет амплитудную характеристику ступенчатой формы. Количество изломов характеристики не зависит от сложности схемы элемента и определяется периодом синхронизирующих импульсов и диапазоном

25

перестройки генератора. Такой многоустойчивый частотно-импульс­ ный элемент назван синхротроном [251.

Принципиальная схема одного из вариантов синхротрона представ­ лена на рис. 24. Здесь в качестве ГРС используется блокинг-генера- тор на транзисторе. Синхронизирующее напряжение Ucподается в цепь эмиттера. Выходное напряжение блокинг-генератора с обмотки L3 импульсного трансформатора подается на дискриминатор, построен­ ный на диодах Д1 и Д2, конденсаторах С1 и С2 и сопротивлении R. Поскольку скважность импуль-

рать более 103. Этим достигается пропорциональность между измене­ нием напряжения на конденсаторе С2 и частотой повторения им­ пульсов блокинг-генератором. В описанной схеме период колебаний при переходе элемента из одного состояния в другое изменяется на строго фиксированную величину, равную периоду синхронизирующих сигналов. Это явление характерно даже при использовании ГРС с нелинейной характеристикой управления. Генератор с линейной харак­ теристикой управления позволяет увеличить число устойчивых со­ стояний и обеспечить постоянное приращение управляющего напря­ жения при переключении элемента.

§ 1.5. Время-импульсные элементы

Время-импульсными называют многоустойчивые элементы, у кото­ рых устойчивые состояния отличаются длительностью импульсов их выходной периодической последовательности. Общий метод построе­ ния таких элементов состоит в охвате обратной связью четырехпо­ люсника, включающего преобразователь напряжения во временной параметр периодической последовательности импульсов и преобразо­ ватель временного параметра в напряжение [25]. Такой четырехполю­ сник можно реализовать, например, при последовательном соединении блока регулируемого запаздывания 3, ключевой схемы К и интегриру-

26

ющего звена И (рис. 25). В этом случае период напряжения Ux на выходе блока запаздывания определяется периодом запускающего напряжения U3, а время запаздывания является функцией входного напряжения UBX. Напряжение Ua на выходе ключевой схемы К зависит от взаимного расположения во времени напряжения Ux и вспомогательного напряже­

и постоянной длительности импуль­

сов Ua среднее значение напряжения 11вых на выходе интегри­

имеет такую же форму, как и временная зависимость UB— ф (i) [25].

Рис. 26. Принципиальная схема время-импульсного многоустойчивого элемента.

Использование напряжения 1)в синусоидальной, пилообразной, пря­ моугольной или другой формы позволяет получить амплитудные ха­ рактеристики соответствующего вида. Максимально возможное число устойчивых состояний время-импульсного элемента с таким четырех­ полюсником определяется зависимостью

быть достигнуто при использовании блоков регулируемого запазды­

27

вания с достаточно большой разностью тМакс и Тмин и с линейной за­ висимостью запаздывания от UBX.

Принципиальная схема время-импульсного многоустойчивого эле­ мента на основе описанного четырехполюсника изображена на рис. 26. В этой схеме в качестве блока 3 использован одновибратор с эмиттерной связью, запускаемый через конденсатор С1 последователь­ ностью коротких импульсов. Выходные импульсы одновибратора с коллектора транзистора Т2 поступают на заторможенный блокинггенератор, построенный на транзисторе ТЗ. Блокинг-генератор, яв­ ляющийся усилителем-формирователем, запускается задним фронтом

оказывается задержанным относительно импульсов U3 на величину т. Импульс с обмотки L3 поступает на базу ключевого транзистора Т4, к эмиттеру которого приложено напряжение UBпилообразной формы. Коллектор транзистора Т4 через диод Д 2 соединен с конденсатором С5, а постоянное напряжение, снимаемое с С5, используется для уп­ равления одновибратором.

Общим недостатком время-импульсных элементов на основе опи­ санного четырехполюсника является необходимость использования двух вспомогательных напряжений U3 и UB.

В таких элементах преобразование входного напряжения в длитель­ ность и длительности в выходное напряжение выполняется раздель­ но. При этом первое преобразование носит монотонный характер, а немонотонность амплитудной характеристики всего четырехполюс­ ника обусловлена немонотонностью преобразования временного пара­ метра в напряжение. Использовав немонотонное преобразование на­ пряжения в длительность, можно упростить схему элемента. В таком случае второй преобразователь заменяется интегрирующим звеном.

На рис. 27 представлена схема импульсного элемента (хронотро­ на), состоящего из компаратора К, фильтра низкой частоты ФНЧ и блока обратной связи БОС. Для запуска компаратора, которым может служить триггер-формирователь или усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, используется напряжение

28

U3 ступенчатой формы (рис. 28). Длительность выходных сигналов Ux компаратора определяется величиной входного напряжения UBX. Плавное изменение UBX вызывает скачкообразное изменение длитель­ ности сигналов Ux (рис. 28). Импульсы с выхода компаратора посту­

пают на фильтр Ф, постоянное напряжение на выходе которого

т

и вых = -jr J Ux dt =

где Т — период запускающего напряжения U3. Осуществляя таким образом линейное преобразование длительности импульсов напряжения Ux в величину постоянного напря­

жения Uвых» получим нелинейный че­ тырехполюсник со ступенчатой ампли­ тудной характеристикой. При охвате этого четырехполюсника цепью поло­ жительной обратной связи можно по­ строить элемент, в котором длитель­ ности импульсов, как признаки ус­ тойчивых состояний, зависят только от длительности ступенек напряжения U3. Благодаря этому может быть достигну­ та высокая стабильность работы времяимпульсного элемента. Количество

устойчивых состояний такого элемента определяется числом ступе­ нек напряжения U3.

Переводят элемент из одного состояния в другое, изменяя напря­ жение UBX. Напряжение же на выходе фильтра Uвых можно использо­ вать для управления другими время-импульсными элементами.

В принципиальной схеме время-импульсного элемента, построен­ ного в соответствии с блок-схемой рис. 27, в качестве компаратора ис­ пользуется триггер с эмиттерной связью (рис. 29). Ступенчатое напря­ жение U3поступает на базу транзистора Т 1. Управление длительностью импульсов на выходе триггера осуществляется изменением параметров цепи обратной связи. Переменное сопротивление R8 служит для регу­ лировки глубины обратной связи. Источник напряжения £ см необ­ ходим для обеспечения требуемого взаимного расположения ампли­ тудной характеристики и характеристики обратной связи.

§ 1.6. Фазо-импульсные элементы

Фазо-импульсными элементами называют многоустойчивые эле­ менты, у которых каждое из k устойчивых состояний определяется ве­ личиной фазового (временного) сдвига выходной периодической после­ довательности импульсов относительно некоторой опорной последо­ вательности импульсов, следующих с такой же частотой.

29