ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

 

Тольятти 2009

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить методы формирования импульсов с помощью активных и пассивных элементов.

 

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В автомобильных электронных системах широко применяется формирование импульсов: прямоугольных - для нормальной работы цифровых микросхем, задержанных - для сдвига сигнала во времени, выделяющих передний или задний фронты сигнала прямоугольной формы и других.

Существует множество методов формирования импульсов и устройств, их реализующих. В данной лабораторной работе рассматриваются формирователи импульсов как на активных элементах - на транзисторном ключе, компараторе напряжения, так и на пассивных - RС-цепях и ограничителях на стабилитронах.

Наибольшее распространение получили формирователи-ограничители амплитуды. Ограничители амплитуды представляют собой электронные устройства, характеризуемые порогами ограничения, вне пределов которых выходной сигнал остается практически неизменным и равным своему пороговому значению. В пределах порогов ограничения выходной сигнал по форме совпадает с входным сигналом.

Рисунок 1

Сигнал можно ограничить по максимуму и по минимуму. В первом случае сигнал на выходе устройства остается практически постоянным, когда подводимое напряжение или ток превышает порог ограничения, называемый уровнем ограничения сверху или по максимуму. Во втором случае сигнал на выходе остается практически постоянным, когда подводимое напряжение (ток) становится меньше порога ограничения, называемого уровнем ограничения снизу или минимуму (рисунок 1б,в).

Ограничитель с двумя порогами ограничения называется двусторонним (рисунок 1а). Для ограничения амплитуды сигналов используют пассивные - полупроводниковые диоды, стабилитроны и активные – транзисторы, которые наряду с ограничением осуществляют и усиление сигналов.

В зависимости от способа включения ограничительного элемента различают последовательную и параллельную схемы ограничения. В первой ограничительный элемент включается последовательно с нагрузкой, во второй - параллельно.

Ограничители амплитуды широко применяются в импульсных и цифро­вых устройствах и обычно выполняют следующие функции:

1) формируют импульсы с плоской вершиной;

2) пропускают импульсы определённой полярности и амплитуды;

3) формируют импульсы стандартной амплитуды;

4) ограничивают уровень сигналов для сокращения длительности фронта или среза:

5) фиксируют уровень сигналов для поддержания напряжения или тока на заданном уровне;

6) демпфируют колебания ударного возбуждения в контурах.

На рисунке 1а изображена амплитудная характеристикаUвых = f (Uвх)идеального двухстороннего ограничителя и форма выходногосигнала Uвых(t)получаемого при входном сигнале Uвх = U_msinωt (дополненный пунктиром график соответствует входному сигналу). На амплитудной характеристике фиксируются два уровня, определяющие нижний и верхний уровни ограничения; между этими уровнями характеристика линейна. При идеальной работе ограничителя, его выходное напряжение пропорционально входному напряжению, если оно не выходит за пределы уровней ограничения, т.е.

 

при (1)

где к = const - коэффициент передачи ограничителя; вне этих пределов выходное напряжение ограничителя должно оставаться постоянным:

при (2)

при (2а)

Напряжения Uогр'2 и Uогр'1 определяют соответственно верхний и нижний уровни ограничения по выходу ограничителя, которые в общем случае не равны уровням Uогр2 и Uогр1 по входу ограничителя.

Часто верхний (или нижний) уровень ограничения настолько велик, что в пределах величин действующих сигналов он не оказывает влияния на работу ограничителя. Такой ограничитель называется односторонним. На рисунке 1б,в изображены амплитудные характеристики и сигналы на выходе односторонних ограничителей (при Uвх = U_m∙sinωt).

Соответствующий рисунок 1б называется ограничителем сверху, а соответствующий рисунок 1в - ограничителем снизу.

В устройствах автомобильной электроники наиболее широкое примение нашли ограничители, использующие в качестве нелинейных элементов полупроводниковые стабилизаторы и диоды и формирователи на RС- цепях.

Работа таких формирователей поясняется осциллограммами сигналов на рисунке 2 снятых в схеме на рисунке 5.

Импульсы прямоугольной формы, вырабатываемые генератором импульсов ГИ (рисунок 2а), с выхода 1 через переключатель поступают на дифференцирующую цепь C3R10. Продифференцированные импульсы (рисунок 2б) с резистора R10 поступают на один из пассивных формирователей-ограничителей. Сигналы на входах и выходах выбранного формирователя-ограничителя могут наблюдаться осциллографом в контрольных точках II и III, IX, X, XI, XII, ХIII соответственно.

Работа дифференцирующей цепочки С3R10 происходит следующим образом. В промежутке времени t1…t2 конденсатор разряжается от амплитудного значения напряжения Um1 до нуля и напряжение, снимае­мое с резистора R10, описывается выражением:

(3)

где Um1 - амплитуда импульсов на входе дифференциальной цепочки;

τ = R10∙СЗ - постоянная времени.

 

Рисунок 2

Начиная с момента времени t3 происходит разряд конденсатора, начиная с отрицательного напряжения –Um1 и напряжение, снимаемое ^ с резистора R10 будет иметь вид:

(4)

 

Дифференцирующие цепи, таким образом, удобны для формирования коротких импульсов, соответствующих временному положению (фронту и спаду) более длинных импульсов или перепадов напряжения.

При подаче разнополярных импульсов после дифференцирования они поступают на параллельный двусторонний ограничитель по максимуму - (точки VI, IX, X) и на последовательный двусторонний ограничитель по минимуму (соответственно точки XI, ХП, ХIII).

Рисунок 3

Интегрирующая цепь может применяться для формирования импульсов, сдвинутых во времени относительно исходных входных. При подаче прямоугольного импульса на вход интегрирующей цепочки напряжение на конденсаторе С (рисунок 3б) имеет вид:

при (5)

при (6)

При подаче этого напряжения на компаратор, по достижении напряжением Uc величины опорного напряжения Uоп, происходит срабатывание компаратора (момент времени t2), компаратор вернётся в исходное состояние, когда входное напряжение станет равным (момент времени t4):

где Uг - напряжение гистерезиса генератора. Из сравнения рисунка За и рисунка Зв видно, что передний фронт импульса U_VI сдвинут на время относительно переднего фронта импульса. Очевидно, что меняя величину Uоп можно менять величину запаздывания (рисунок 4).

Формирователи импульсов на линейных элементах - диодах и стабилитронах просты и надёжны в работе, обеспечивают хорошее качество ограничения, но имеют коэффициент передачи K < 1.

В некоторых случаях необходим коэффициент передачи, больший единицы. Применение формирователей с нелинейным элементом в виде транзистора позволяет осуществить двустороннее ограничение с одновременным усилением сигналов.

Входная характеристика транзистора представлена на рисунке 4а, семейство выходных характеристик и динамическая характеристика MN приведены на рисунке 4б. На динамической характеристике можно выделить три области работы биполярного транзистора: область насыщения (участок МЕ - транзистор полностью открыт), область отсечки (участок AN транзистор закрыт), линейную область (транзистор работает как усилитель тока и напряжения).

Изменяя начальное положение рабочей точки транзистора на входной характеристике и амплитуду рабочего сигнала как видно из рисунка 4, можно изменять уровень ограничения сверху и снизу как отдельно, так и одновременно.

3. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СТЕНДА.

 

В лабораторном стенде прямоугольные импульсы формируются генератором импульсов (ГИ). С выхода импульсы поступают на дифференцирующую C3-R10 или на интегрирующую R9-C2 цепь. Продифференцированные импульсы поступают на шесть пассивных формирователей импульсов, выходные напряжения которых поступают на контрольные точки VII - ХШ для наблюдения с помощью осциллографа контрольные импульсы после интегрирования цепочкой R9-C2 поступают в компаратор, где сравниваются с опорным напряжением Uоп, образованным делителем R7-R8. Для наблюдения сдвинутых во времени выходные импульсы подаются на контрольную точку VI.

Экспоненциальные импульсы с конденсатора С2 поступают через потенциометр R1 и конденсатор C1 на вход транзистора VT. Рабочая точка транзистора может быть перемещена по динамической характеристике с помощью переключателя SA , изменяющего ток базы в статике.

Для снятия осциллограмм процессов формирования служат контрольные точки I - ХШ. Питание стенда осуществляется от сети 220 В, 50 Гц с помощью внутреннего встроенного вторичного источника питания.

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

 

1. Включить стенд и осциллограф.

2. Исследовать работу формирователя на транзисторном каскаде.

2.1 Засинхронизировать осциллограф по первому каналу сигналом с контрольной точки I.

2.2. Установить переключатель SA в положение I. При этом рабочая точка транзистора VT переместится в точку А (см. рисунок 4а). Зарисовать осциллограмму в контрольной точке П и в контрольной точке Ш относительно сигнала в контрольной точке I. Объяснить полученные зависимости.

2.3. Установить переключатель SA в положение 2 (рабочая точка транзистора в точке С). Потенциометром R добиться чтобы транзистор VT не входил ни в режим отсечки, ни в режим насыщения. Наблюдать осциллограмму на входе и выходе транзисторного каскада и измерить Uв, Ud, A2. Определить коэффициент усиления транзисторного каскада по выражению:

2.4. Установить переключатель SA в положение 3. Рабочая точка транзистора смещается в точку Д. Наблюдать осциллограммы в контрольных точках II и III относительно сигнала в контрольной точке I.

3. Исследовать работу схемы временного сдвига импульсов. 3.1.3асихронизировать осциллограф по первому каналу сигналом в контрольной точке I.

3.2. Наблюдать осциллограммы в контрольных точках IV, V, VI отно­сительно сигнала U_I при одном положении резистора R8 . Измерить временной сдвиг обоих фронтов сигнала U_VI относительно фронтов сигнала VI. Объяснить причину временного сдвига фронтов,

4. Исследовать работу дифференцирующей цепи

4.1. Засинхронизировать осциллограф по 1 каналу сигналом с КТ1. Наблюдать сигнал U_VII относительно U_I. По форме сигнала определить постоянную времени диф. цепи С3R10.

5. Исследовать работу формирователей импульсов на диодах и стабилитронах.

5.1. Засинхронизировать осциллограф по 1 каналу сигналом с КТ VII. Наблюдать осциллограммы сигналов U_VIII…U_XII. Объяснить их форму.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

 

Отчёт должен содержать:

- блок-схему стенда;

- осциллограммы напряжений характерных точек схемы, совмещён­ные во времени;

- Определённые экспериментально величины напряжения, характеризующие элементы пассивных формирователей;

- результаты расчёта коэффициента усиления транзисторного формирователя;

- выводы.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Назначение и работа каждого узла (кроме схемы генератора).

2. Объяснить движение рабочей точки по входным и выходным характеристикам транзисторного формирователя при подаче входного сиг­нала с заданными параметрами.

3. Объяснить осциллограммы в характерных контрольных точках схемы.

4. Объяснить назначение отдельных элементов схемы стенда С1-СЗ и R1–R18.

5. По заданной преподавателем схеме формирователя и форме вход­ного сигнала определить форму выходного сигнала (графически).

 

ЛИТЕРАТУРА

Жеребцов И.П. "Основы электроники" 4 издание Л., Энергоатомиздат, 1985.

 

Рисунок 4