Функциональные узлы, формирующие периодические колебания напряжения (тока) фиксированной частоты, называются генераторами. Различают генераторы синусоидальных колебаний и релаксационные (импульсные). Те и другие генераторы характеризуются частотой, формой и амплитудой колебаний.
В цифровых системах обработки и передачи информации наибольшее применение получили генераторы однополярных импульсов прямоугольной формы. относящиеся к релаксационным генераторам и называемые мультивибраторами. При необходимости колебания такой формы могут быть преобразованы в гармонические колебания, например в знакопеременное напряжение синусоидальной формы.
Мультивибратор — это электронная схема с времязадающими RC- цспями, в которой возникают незатухающие колебания постоянной частоты и постоянной амплитуды. Поскольку частота есть обратная величина периоду колебаний, то, чтобы изменить частоту, необходимо менять период колебаний. В свою очередь, изменить период колебаний можно только за счёт изменения параметров времязадающих RC-цепей. ГОСТами регламентируется условное графическое обозначение генераторов импульсов. В частности, для генераторов импульсов прямоугольной формы рекомендовано обозначение, показанное на рис. 2.17,а. Это УГО соответствует генераторам, работающим в автоколебательном режиме. При включении напряжения питания на выходе генератора появляется периодическая последовательность импульсов прямоугольной формы. Скважность импульсов может быть различной.
Мультивибраторы со скважностью импульсов, равной двум (длительность импульса равна длительности паузы), называют симметричными.
Существует много разновидностей схем мультивибраторов, отличающихся стабильностью частоты генерирования колебаний, возможностью подстройки частоты и скважности импульсов, а также обеспечения устойчивости работы (обеспечение режима самовозбуждения схемы генератора). Мультивибраторы можно строить как на дискретных компонентах электронной техники, так и на микросхемах.
Рис. 2.17. Генераторы импульсов:
УГО автоколебательного (а), управляемого (в) генератора; принципиальные схемы мультивибраторов (б, г, д); временные диаграммы управляемого мультивибратора (ж)
На рис. 2.17,б...д приведены схемы мультивибраторов, позволяющих генерировать колебания в достаточно широком диапазоне частот. Генератор на триггере Шмитта (см. рис. 2.17,6) имеет одну времязадающую RC-цепь. Заряд и разряд конденсатора С осуществляется через один резистор R, поэтому длительность импульса (τи) и длительность паузы (τп) одинаковы. Эта схема эквивалентна симметричному мультивибратору. Поскольку указанный триггер имеет несколько входов, то использованием одного из них можно получить управляемый генератор (см. рис. 2.17,в и рис. 2.17,ж). В момент (t0) подачи на вход сигнала лог. I схема самовозбуждается и на выходе триггера возникают колебания напряжения практически прямоугольной формы.
Схема (рис. 2.17,г) иллюстрирует пример мультивибратора на транзисторах, работающего в автоколебательном режиме. Ему будет соответствовать УГО (рис. 2.17,а). Как видно, в схеме есть две времязадающих цепи. Одна образована резистором R2 и конденсатором С2, другая цепь состоит из резистора R3 и конденсатора С1. Благодаря этому, существует возможность раздельно менять длительность импульса и длительность паузы. Если параметры этих цепей выбрать одинаковыми (R2=R3=R и С1=С2=С), то мультивибратор будет симметричным (τи=τп). У этого мультивибратора можно организовать два выхода (см. рис. 2.17), сигналы на которых возникают при включении напряжения питания (+Е) и изменяются всегда в противофазе (сигнал на выходе «Вых.1» является инверсным по отношению к сигналу на выходе «Вых .2», и наоборот).
Схема рис. 2.17,б сочетает свойства схем рис. 2.17,б и рис. 2.17,г: является управляемым мультивибратором с возможностью регулирования скважности импульсов и дополнительно есть возможность подстройки частоты колебаний. (Изменяя сопротивление переменного резистора R2, можно в некоторых пределах менять частоту генератора.). Особенностью указанной схемы является включение дополнительных элементов D1.3 и D1.4. Их наличие обеспечивает чёткое самовозбуждение колебаний при подаче управляющего сигнала (лог.1) на вход генератора.
Анализ приведённых на рис. 2.17 схем показывает, что изменение частоты генератора импульсов достаточно сложная техническая задача, т.к. бесконтактным способом изменить сопротивление резистора или ёмкость конденсатора сложно. (Для этого необходимо предусмотреть, например, варисторы либо варикапы.) Поэтому чаще всего используется соответствующее количество генераторов, настроенных на требуемые частоты. А затем путём коммутации их выходов формируют сигналы с изменяемой частотой (см. рис. 2.18). Здесь в качестве электронного коммутатора используется мультиплексор-селектор D5 с двумя адресными входами (они помечены групповой меткой SED) и четырьмя информационными входами с групповой меткой D и индивидуальными метками 0, 1, 2, 3. Четыре генератора D1...D4 работают в автоколебательном режиме и формируют периодические импульсные колебания с частотами F0, F1, F2 и F3 соответственно. Как показано на диаграммах (рис. 2.18,б), колебания частоты F0= l/∆t имеют скважность ≈2.
Колебания трёх других частот имеют скважности больше двух. Диаграммы соответствуют случаю, когда F1=F0/2, F2=F0/3 и F3=F0/4.
Сигналы по адресным входам мультиплексора («Управляющие сигналы») изменяются (см. моменты t0, t1, t2, t3) в последовательности, обеспечивающей подключение вначале информационного входа D0, затем входа D1, потом входа D3, D2 и вновь входа D0. Поэтому на выходе мультиплексора появляются импульсы с периодом следования, определяемым частотами F0, F1, F3, F2 и F0 (cm. рис. 2.18.б).
Рис. 2.18. Функциональная схема (а) формирователя сигналов с частотно-импульсными признаками, временные диаграммы работы (б)
Недостатком рассмотренной схемы является то, что генераторы D1...D4 не синхронизированы, поэтому в выходной последовательности импульсов возможно появление периода, не совпадающего с периодом следования импульсов выбранных частот.
Указанного недостатка лишён вариант построения формирователей с одним «задающим» генератором (типа мультивибратора). Другие же частоты получают путём деления частоты задающего генератора на постоянный коэффициент. В серии ИМС К155 имеются так называемые счётчики- делители частоты, например К155ИЕ8, позволяющие выполнить деление частоты импульсов на коэффициент, устанавливаемый дискретно целочисленно в пределах от 2 до 63 включительно. Установка коэффициента осуществляется внешними позиционными сигналами, отображаемыми параллельным 6-разрядным двоичным числом. Иа рис. 2.19 приведена обобщённая функциональная схема формирователя с дискретно изменяемой частотой следования импульсов. Задающий генератор D1 формирует периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы постоянной частоты F0. (Например, так, как показано на диаграммах рис. 2.18,б)
Рис. 2.19
Функциональный модуль D2 представляет собой делитель частоты F0 на постоянный коэффициент к, устанавливаемый позиционными сигналами по входам с групповой меткой V. Каждый вход имеет индивидуальную метку, являющуюся весовым коэффициентом разрядов 6- разрядиых двоичных чисел. Число к есть десятичный эквивалент двоичной комбинации сигналов на входах V. Изменяя эту комбинацию, можно установить необходимый коэффициент деления и получить желаемую частоту (F) импульсов на выходе формирователя. Тогда на диаграмме выходных сигналов (см. «Вых» рис. 2.18,б) моменты t0, t1, t2, t3 будут соответствовать моментам изменения коэффициента деления. Однако и рассмотренный формирователь имеет недостаток: если коэффициент к нацело не делит частоту F0, то скважность выходных импульсов будет периодически меняться при неизменном к. Примером генератора импульсов изменяемой частоты может служить схема рис. 2.13 (см. выше). Здесь контакт К можно отождествить с входом управления частотой генератора. Сигналом по этому «входу» изменяется частота генерации: замыкание контакта приводит к уменьшению частоты следования импульсов.
Генераторы колебаний синусоидальной формы (гармонических колебаний) можно построить только на аналоговых элементах. В качестве таких элементов могут использоваться дискретные компоненты электронной техники, устройства электромагнитной техники и интегральные микросхемы.
Основным условием построения генераторов периодических колебаний является выполнение условий самовозбуждения их схем. Эти условия сводятся к соблюдению определённых соотношений по фазе и амплитуде сигналов в межэлементных связях генератора. Как правило, это схемы с гибкими положительными обратными связями, обеспечивающими достаточный коэффициент усиления по амплитуде и необходимый сдвиг по фазе сигналов обратной связи.
Па рис. 2.20 приведена схема, представляющая один из множества вариантов построения генераторов гармонических колебаний, и общее УГО таких генераторов, рекомендованное ГОСТами для функциональных схем.
В основе построения лежит принцип моделирования на операционных усилителях DA1 и DA2 зависимости у = Usin(wt). являющейся решением дифференциальною уравнения вида
Рис. 2.20. Принципиальная схема (а) и УГО (б) генератора синусоидальных колебаний
Оба усилителя (см. рис. 2.20,f) работают в режиме интегрирования. Выход усилителя DA2 подключен через резистор R3 к прямому (не инверсному) входу усилителя DA1, а выход DA1 через резистор R2 к инверсному входу усилителя DA2. Усилители питаются двухполярным напряжением ± Е от источника. Благодаря этому напряжение на выходах усилителей будет знакопеременным с амплитудой, определяемой коэффициентами передачи по указанным входам усилителей. При включении напряжения в схеме возникают устойчивые гармонические колебания: на выходе DA2 синусоидальной формы U2(t), а на выходе DA1 косинусоидальной U1(t) (см. рис. 2.21).
Частота колебаний определяется выражением
При указанных на рис. 2.20 соотношениях
В качестве усилителей могут использоваться, например, микросхемы К140УД6, имеющие внутреннюю частотную коррекцию, защиту при коротких замыканиях выхода на общий полюс источника питающего напряжения и дополнительные выводы для балансировки нуля выходного напряжения (на рис. 2.20 эти выводы помечены метками NC, а балансировочный резистор не показан).
Рис. 2.21. Диаграммы сигналов к схеме рис. 2.20
Селекторы сигналов с частотными признаками
По принципу действия такие селекторы являются «частотомерами», т.е. устройствами (функциональными узлами), выходные сигналы которых пропорциональны частоте входных сигналов. Так как сигналы в цифровых системах имеют ограниченное число фиксированных значений по частоте, то задача селекции сводится к выбору (избиранию) фиксированных частот. Наиболее просто такую задачу можно решить, если предусмотреть отдельный (индивидуальный) выход селектора на каждую селектируемую частоту, т.е. в зависимости от частоты входного сигнала на соответствующем выходе селектора должен появиться сигнал активного уровня, например лог.0 либо лог. 1. Возможен вариант, когда селектор имеет один выход. В таком случае выходной сигнал селектора должен иметь несколько значений, фиксированных по уровню, и не будет цифровым (логическим).
Функциональные узлы, предназначенные для избирания гармонических сигналов фиксированной частоты или нескольких фиксированных частот, называются частотными фильтрами.
На рис. 2.22 приведена обобщённая функциональная схема селектора двух частот, построенная на основе избирающих фильтров. Предполагается, что входное знакопеременное напряжение Uвх может иметь две фиксированные частоты, например f1 и f2. Колебания этих частот селектируются активными избирающими (полосовыми) фильтрами Z1 и Z2 соответственно. Переменные выходные напряжения фильтров преобразуются в напряжение постоянного тока двухполупериодными «выпрямителями» DA1 и DA2. Высокочастотные составляющие выпрямленного напряжения отфильтровываются НЧ-фильтрами Z3 и Z4, а формирование стандартных уровней лог.0 и лог.1 выполняют пороговые элементы DD1 и DD2.
Рис. 2.22. Функциональная схема селектора двух частот
