Меню

Импульсным напряжением длительностью 1 с

Преобразователь длительности импульса в напряжение

Linear Technology LT1880 LTC202

Схема на Рисунке 1 к концу одного входного импульса преобразует его длительность в пропорциональное чистое напряжение постоянного тока. Существует еще одна технология, когда RC фильтр преобразует ШИМ-сигнал в среднее постоянное напряжение, но это очень медленный метод. Кроме того, с уменьшением коэффициента заполнения время преобразования увеличивается еще больше. В схеме на Рисунке 1 использованы два операционных усилителя LT1880 с низкими входными токами смещения (IC2 и IC3) и счетверенный аналоговый переключатель LTC202 (IC1A, IC1B, IC1C и IC1D), образующие интегратор и каскад выборки-хранения, которые преобразуют длительность импульса в постоянное напряжение. По окончании очередного импульса выходное напряжение остается неизменным. В приведенном здесь примере показано преобразование в напряжение положительных импульсов с низким коэффициентом заполнения, ширина которых изменяется от 1 мс до 2 мс, а период повторения равен 25 мс. Входной импульс запускает, останавливает и сбрасывает интегратор, а также управляет каскадом выборки-хранения. После сброса положительный импульс запускает интегратор на элементах R1, C1 и IC2. При высоком уровне входного импульса каскад выборки-хранения, состоящий из элементов IC1B, C2 и IC3, находится в режиме выборки, повторяя выходное напряжение интегратора.

Рисунок 1. Эта схема формирует чистое постоянное напряжение, пропорциональное
длительности входного импульса.

По спаду входного импульса схема отключает вход каскада выборки-хранения, переводя его в режим запоминания. После этого интегратор остается в состоянии сброса до прихода следующего положительного импульса. Во время сброса аналоговый ключ IC1A открывается, чтобы отключить вход интегратора, ключ IC1C закрывается, чтобы разрядить конденсатор интегратора C1, а ключ IC1B размыкается и отключает вход каскада выборки хранения, переводя его в режим хранения. Аналоговый ключ IC1D инвертирует выходной сигнал ключа IC1C. Операционный усилитель LT1880 хорошо подходит для использования в интеграторе и каскаде выборки-хранения благодаря низкому входному току смещения, максимальное значение которого равно 900 пА при 25 °C и 1500 пА в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C. Еще один аргумент в пользу выбора этого усилителя – максимальный дрейф напряжения смещения, составляющий всего 1.2 мкВ/°C. Конденсатор C1 и резистор R1 задают крутизну преобразования.

Рисунок 2. Схема на Рисунке 1 линейно преобразует длительность импульса
в постоянное напряжение.

Для минимизации скорости спада напряжения каскада выборки-хранения и «дрейфа» интегратора конденсаторы C1 и C2 должны быть полипропиленовыми, полистирольными или фторопластовыми. Делитель R3, R4 устанавливает уровень выходного напряжения для средней длительности входного импульса, которая в данном примере равна 1.5 мс. Зависимость выходного напряжения от ширины входного импульса показана на Рисунке 2. Схему на Рисунке 1 легко изменять, чтобы получать различные коэффициенты преобразования, выходные уровни и диапазоны измерений для разных длительностей импульсов. Схема работает с информацией о ширине импульса, а не о значении коэффициента заполнения. Каскад выборки-хранения представляет собой аналоговое запоминающее устройство, хранящее постоянное напряжение, эквивалентное длительности импульса.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

ЛЕКЦИЯ 25. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛАХ

Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерывистое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.

Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом причин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информацию. Импульсный сигнал оказался единственно приемлемой формой при создании радиолокации, он необходим для работы систем синхронизации, удобен для управления многими производственными процессами.

Импульсы применяются и для передачи непрерывной информации. В этом случае передаваемая информация может содержаться в значениях амплитуды, длительности или временного положения импульсов. Наличие пауз между импульсами позволяет уменьшить мощность, потребляемую от источника питания. Кроме того, во время паузы можно передавать информацию от других корреспондентов.

Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной, пилообразной экспоненциальной и колокольной формы (рис. 25.1, а). Импульсы характеризуются

– длительностью τи,

– длительностью паузы τп,

– периодом повторения Т = τи + τn,

– частотой повторения F = 1/T,

В реальных устройствах прямоугольные импульсы характеризуются также длительностью фронта τфр и среза τср. Фронт и срез определяют в течение нарастания или спада напряжения от 0,1 Um до 0,9Um.

2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами. Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 25.1, б.

Рассмотрим работу схемы. В ключевом режиме транзистор может

находиться в одном из двух состояний – в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.

В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток Iкэ. Напряжение на участке коллектор-эмиттер . Мощность, теряемая в транзисторе в режиме отсечки определяется произведением Ротс = Iкэ0·Uк и мала, так как пренебрежимо мал ток Iкэ0.

Читайте также:  Как подключить сип кабель под напряжением

Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо подать на базу отрицательное напряжение смещения, т.е. . Для этого часто применяют дополнительный источник смещения – Есм и резистор R2 (эти элементы показаны на рис. пунктиром). При таком включении напряжение смещения создается двумя источниками Есм и источником тока Iкэ0, т.е.

Для реальных ОУ значение ∆Uгр не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая ∆Uгр≈0. Тогда при выходное напряжение . Наоборот, при выходное напряжение. Другими словами можно сказать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит, ОУ в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).

Возможности применения ОУ как компаратора иллюстрируются графиками рис. 25.2, б.

Как следует из графиков, на прямой вход ОУ подано синусоидальное напряжение uвх1(t), а на инвертирующий вход – постоянное положительное напряжение Uвх2. Компаратор переключается в момент равенства u.вх1(t) = Uвх2. Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в напряжение прямоугольной формы, т. е. в импульсное напряжение.

По графикам легко увидеть, что длительность прямоугольных импульсов зависит от величины Uвх2. Изменяя величину Uвх2 от –Um.вх1 до Um.вх1, можно изменять длительность импульсов от до Т, где Т – длительность периода uвх1(t). Значит, компаратор можно применять в качестве преобразователя амплитуда – длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 25.3, а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 25.3, б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ Uвх ) поступает прямоугольный импульс амплитудой Um и длительностью tu. В начальный момент времени конденсатор С разряжен и ток в RC-цепи определяется только амплитудой импульса Um и сопротивлением R. Поэтому на зажимах 2 — 2 ‘ создается напряжение, равное максимальному . По мере заряда конденсатора С ток в цепи, а значит, и напряжение на выходе будут экспоненциально убывать:

где tц = R×C [С] – постоянная цепи.

К моменту окончания импульса (когда t = tu) выходное напряжение уменьшается до Uвых(tu), причем,

После окончания импульса напряжение на входе цепи Uвх= 0. Поэтому конденсатор С начинает разряжаться через источник Uвх и резистор R. Ток разряда создает на выходе цепи отрицательный перепад напряжения, причем,

Передаточная цепь должна передавать импульс от входа к выходу цепи с возможно меньшими искажениями его формы. Искажение формы оценивают максимальным относительным снижением вершины выходного импульса.

Из выражения (25.11) следует, что DU тем меньше, чем больше Uвыхu), а Uвых(tи) тем больше, чем меньше отношение tu / tц. Если требуется, чтобы максимальное относительное снижение вершины импульса не превышало 1%, то постоянная времени цепи tц должна превышать длительность импульса tu не менее чем в 100 раз. Таким образом, чтобы цепь, приведенная на рис. 25.4, а стала передаточной, необходимо выполнить условие

Так как емкость С рассматриваемой цепи не пропускает на выход постоянную составляющую источника питания, то за цепью закрепилось еще одно название – разделительная цепь.

Дифференцирующая цепь предназначена для деления импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача обратная ранее рассмотренной. Она решается тем лучше, чем больше отношение tu / tц. Реально tu / tц ≈ (10 ÷ 100). Выходное напряжение представляет два биполярных импульса, совпадающих во времени с фронтом и срезом входного сигнала (рис. 25.4, б). Амплитуда биполярных импульсов затухает экспоненциально в соответствии с (25.9). Длительность этих импульсов оценивается на уровне 0,05 Um произведением tвых » 3 tц. Подбором tц ее можно сделать сколь угодно малой.

Схема обращенной RC — цепи приведена на рис. 25.5, а. Работа этой цепи иллюстрируется графиками напряжений на рис. 25.5, б. При поступлении на вход такой цепи (зажимы 1 — 1 ‘ ) прямоугольного импульса выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону,

Время, необходимое для нарастания выходного сигнала до уровня 0,9Um, составляет 2,3 tц, а до уровня 0,99 Um – 4,6 tц.

По окончании входного сигнала напряжение на выходе обращенной цепи убывает также по экспоненциальному закону:

На начальном участке выходное напряжение изменяется по закону, близкому к линейному. Этот участок часто используется для линейного накопления напряжения сигнала, поэтому рассматриваемая цепь получила название интегрирующей. Чтобы цепь работала как интегрирующая, отношение tu/tц должно быть значительно меньше единицы.

Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, спо-

собное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Такие свойства позволяют использовать триггеры в качестве элементов памяти, для деления частоты следования управляющего сигнала, для счета импульсов, для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы, для сравнения напряжений и т. д.

Читайте также:  Как предотвратить эмоциональное напряжение

Для построения триггеров могут использоваться туннельные диоды, тиристоры, транзисторы и логические элементы. В лекции рассмотрим триггеры на биполярных транзисторах.

Условные обозначения триггеров на транзисторах приведены на рис. 25.6. Они имеют один или несколько входов и два выхода. Один из выходов называется прямым и обозначается . Другой выход называется инверсным и обозначается . Когда на прямом выходе устанавливается высокий уровень напряжения (близкий к напряжению источника питания), на инверсном выходе устанавливается низкий уровень(близкий к нулю). Условно высокий уровень напряжения обозначают “1”, а низкий – “”.

Различаются триггеры способом управления (запуска). Триггер с раздельным запуском (рис.25.6, а) имеет два входа – S и R. Управляющие сигналы (импульсы тока или напряжения) поступают на эти входы от раздельных источников. При поступлении управляющего сигнала на вход S (set – установка единицы) триггер устанавливается в состояние “1”, при котором = 1, а = . При поступлении управляющего сигнала на вход R триггер устанавливается в состояние “”, при котором = , а = 1.

Если к моменту поступления управляющего сигнала на вход S, триггер уже находился в состоянии “1”, то его состояние не изменится. При раздельном запуске триггер срабатывает от каждого управляющего сигнала только тогда, когда они поступают на входы S и R поочередно. Сокращенное название триггера – RS – триггер.

Триггер с общим запуском (рис. 25.6, б) имеет один вход – Т. Управляющие сигналы поступают на этот вход, а триггер срабатывает от каждого сигнала, изменяя свое состояние на противоположное. Сокращенное название триггера – Т – триггер.

Триггер с комбинированным запуском (рис. 25.6, в) имеет три входа S, R и Т. Триггер допускает как раздельный, так и общий запуск. Сокращенное название – RSТ – триггер.

Схема триггера с раздельным запуском на биполярных транзисторах p — n – p типа приведена на рис. 25.7. Схема состоит из двух транзисторных ключей. Выход ключа на транзисторе Т1 соединен со входом ключа на транзисторе Т2. Выход ключа на транзисторе Т2 соединен со входом ключа на транзисторе Т1.Так замыкается петля ПОС.

Рассмотрим работу схемы, используя графики токов и напряжений рис. 25.8.

На временном интервале от до t1 схема находится в исходном состоянии. Предположим, что в исходном состоянии = , = 1. При этом транзистор Т1 открыт и насыщен, напряжение Uкэ1 = Uкн ≈ 0. Транзистор Т2 закрыт и Uкэ2 ≈ -Ек. Высокий отрицательный потенциал — Uкэ2 через делитель R1, Rб1 приложен к базе транзистора Т1 и поддерживает его в открытом состоянии. В цепи базы протекает ток Iб1 = Iбн. В базе транзистора накоплен большой избыточный заряд носителей.

На базу транзистора Т2 действует незначительный отрицательный потенциал — Uкэ1 и положительный потенциал Еб. Так как |Еб| > |Uкэ1|, то транзистор Т2 поддерживается в закрытом состоянии. Таким образом, состояние транзистора Т1 поддерживает состояние транзистора Т2 и наоборот. Схема находится в устойчивом состоянии до воздействия управляющего сигнала.

Пусть в момент t1 в базу транзистора Т1 подан управляющий сигнал – импульс тока Iвх. Если выполняется условие |Iвх| > |Iб1|, то ток базы Т1 меняет знак, но транзистор остается открытым до момента времени t2. На интервале времени t2 – t1 происходит рассасывание избыточного заряда базы Т1. Если управляющий сигнал достаточно сильный, то интервал рассасывания τр определяется выражением

где S = β·Iб / Iкн – коэффициент насыщения транзистора, τ = 1 / 2π·f – время

пролета неосновных носителей заряда через базу.

С момента t2 начинает убывать коллекторный ток транзистора Т1, а |Uкэ1| увеличивается. Транзистор работает в активном режиме. Отрицательное приращение напряжения — ∆Uкэ1 через делитель R2, Rб2 передается на базу транзистора Т2. Это приводит к уменьшению напряжения Uб2. В момент времени t3 напряжение Uб2 достигает уровня отпирания транзистора Т2Uб0. Интервал времени t3 – t2 называется интервалом подготовки к отпиранию tп. Его длительность определяется выражением

С момента t3 оба транзистора работают в активном режиме. В схеме возникает лавинообразный (регенеративный) процесс опрокидывания, когда запирается транзистор Т1 и отпирается Т2. Увеличение |- Uкэ1| приводит к росту |- Uб2| и к уменьшению Uкэ2. Это вызывает увеличение напряжения Uб1 и более глубокое запирание транзистора Т1. Длительность регенеративного процесса tрег имеет порядок τ. Он завершается в момент t4, когда Т1 закрыт, а Т2 открыт. Управляющий сигнал больше не нужен. Будем полагать , что его срез соответствует моменту времени t4. Окончание управляющего сигнала приводит к скачку тока базы Iб1 до Iк0.

После завершения лавинообразного процесса начинается установление нового состояния триггера. Длительность этапа установления определяется скоростью перезаряда конденсаторов С1 и С2. До запуска схемы конденсатор С1 был заряжен до напряжения, близкого к Ек. Теперь он разряжается через резистор R1 и по цепи Rб1, Еб, эмиттер – коллектор Т2. Конденсатор С2 до запуска схемы был разряжен. На этапе установления он заряжается. Ток заряда протекает от + Ек, через корпус, переход эмиттер – база Т2, С2, Rк1, к —Ек. Скорость перезаряда определяется значением постоянной цепей перезаряда. Этап установления завершается в момент времени t5 и обозначается tу.

Читайте также:  При отсутствии мышечных напряжений что происходит

После окончания этапа tу схема готова к приему следующего управляющего сигнала. Сумма

определяет минимальный временной интервал между управляющими сигналами, при котором обеспечивается надежное срабатывание триггера.

Схема триггера, приведенная на рис. 25.9, отличается от рассмотренной ранее типом транзисторов, связями между их базами и коллекторами и числом входов. Это обусловливает существенные отличия в принципе работы триггера.

При замыкании ключа К положительный потенциал источника питания + Ек через резистор Rк1 подается на базу транзистора Т2 и открывает его. Транзистор Т1 закрыт. Если напряжение на входе отсутствует Uвх = 0, то это состояние (назовем его исходным) может сохраняться как угодно долго.

Триггер изменяет свое состояние под воздействием положительного управляющего сигнала на базу транзистора Т1. В новом состоянии транзистор Т1 открыт и насыщен, а транзистор Т2 закрыт. Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, нужно выключить и вновь включить источник питания. Схема может быть полезной для управления временем начала (момент включения Ек) и прекращения какого — либо процесса по управляющему сигналу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

25.1. Приведите примеры применения импульсных сигналов для решения практических задач.

25.2. Перечислите основные параметры импульсных сигналов, приведите известные соотношения для их оценки.

25.3. Докажите, что мощность, потребляемая электронными ключами, пренебрежимо мала.

25.4. Рассчитайте элементы R1, R2 и Rк для схемы рис. 25.1, б, если известно, что Ек = 10 В, ЕСМ = 1,5 В, Uвх = 2, 5 В, β = 40 – 100, Iкэо = 50 мкА, Iкн = 9,5 мА.

25.5. В схеме триггера Шмитта по рис. 25. 3, а определите U, при котором |Uп1| = |Uп2|.

25.6. На вход прямой RC цепи поступает прямоугольный импульс τи = 10 -3 С. Определите значение С, при котором цепь будет передавать импульс с минимальными искажениями, если R = 10 кОм.

25.7. Определите значение С, при котором прямая RC цепь будет дифференцировать импульс, если R = 10 кОм.

25.8. Приведите условные схемные обозначения триггеров. Определите назначение их входов и выходов.

25.9. Определите требования к амплитуде и длительности управляющего сигнала триггера по схеме рис. 25.7.

25.10. Триггер по схеме рис. 25.9 имеет один вход. Почему его относят к классу RS триггеров?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Параметры электрического импульса

Импульсные процессы

Источниками колебаний в форме импульсов чаще всего являются импульсные генераторы — автономные преобразователи энергии источника питания, в энергию разрывных колебаний требуемой формы. Другим способом получения импульсов является их формирование путем изменения параметров колебаний иной формы, например синусоидальной.

Для этого используют формирующие устройства — ограничители амплитуды, схемы дифференцирования и другие устройства, которые изменяют параметры колебания — амплитуду, период следования, форму и т.п.

Электрическим импульсом называют напряжение или ток, отличающиеся от нуля или постоянного значения только в течение короткого промежутка времени, который меньше или сравним с длительностью установления процессов в электрической системе, в которой они действуют. Импульсы могут быть как периодическими, так и одиночными (рис. 1)

Рис. 1. Импульсы различной формы

В случае следующих друг за другом импульсов (т.е. периодических) обычно предполагается, что интервал между ними существенно превышает длительность процессов установления. В противном случае этот сигнал называют несинусоидальным напряжением или током. Такое определение не отличается строгостью, ибо переходные процессы протекают, как известно, бесконечно долго. Однако оно позволяет отличать импульсы в общепринятом смысле от напряжения сложной формы.

Параметры электрического импульса

Импульсы и импульсные последовательности характеризуются рядом параметров (длительность импульса, длительность паузы, время фронта, период следования и др). Методика измерения этих параметров представлена на рис 2.

Рис. 2. Основные параметры импульсов

Um – амплитуда импульса. Это наибольшее отклонение напряжения от исходного, установившегося значения Uo;

tфрдлительность фронта импульса (или время фронта). Это временной интервал, в течение которого напряжение возрастает от 0,1Um до 0,9Um. Иными словами, время фронта измеряется не по максимальному и минимальному значению напряжений, а по уровням 0.1-0.9 от максимального значения.

tcпдлительность спада импульса (или время спада). Это временной интервал, в течение которого напряжение спадает от 0,9Um до 0,1Um. Его иногда еще называют временем среза импульса.

tидлительность импульса. Это временной интервал между моментами на соседних интервалах tфр и tcп, для которых u = 0,5Um. Иными словами, длительность импульса измеряется на уровне половины амплитуды.

tп – длительность паузы. Она измеряется по уровню 0.5 аналогично длительности импульса. При этом соблюдается соотношение tп = T- tи.

Т – период следования импульсов. Это временной интервал между моментами на соседних интервалах tфр или tcп, для которых u = 0,5Um. Иными словами, период измеряется по уровню половины амплитуды между двумя соседними фронтами или спадами.

f – частота следования импульсов. Это величина, обратная периоду f =1 / T.

Q — скважность импульсов. Это величина, равная отношению периода к длительности импульсов: Q = Т/tи

Kз – коэффициент заполнения импульсов. Это величина, равная отношению длительности импульса к периоду: Kз = tи/T. Коэффициент заполнения и скважность импульсов – взаимообратные величины.

Источник