Статья посвящена разработке генератора парных последовательностей трехуровневых импульсов с регулируемой задержкой, с дальнейшим применением устройства в электроизмерительных приборах.
Ключевые слова: время задержки, выходной сигнал, импульсный сигнал, управляющее напряжение, канал.
Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).
Существуют генераторы импульсов различной формы: прямоугольной,
треугольной, синусоидальной, ступенчатой и др. Кроме очевидных случаев автономных генераторов источник регулярных колебаний необходим в любом периодическом действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы и в любом приборе, работа которого связана с периодическим состояниями или периодическими колебаниями.
Генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ и др.
Выходной сигнал в каждом из двух основных каналов, можно получить из гармонического синусоидального сигнала по двум дополнительным каналам, сдвинутым по фазе (времени) относительно друг друга и далее формирования двуполярных импульсных сигналов на ограничителях амплитуды. Затем сформированные однополярные импульсные сигналы (положительный и отрицательный) подаются на сумматор, где и формируется заданный импульсный сигнал по одному из основных каналов. Аналогично формируется выходной двуполярный импульсный сигнал по второму основному каналу.
На вход каждого из основных каналов подается опорный входной синусоидальный сигнал, на один из основных каналов, через фазовращатель для формирования заданной задержки (сдвига фаз). Задержка по фазе в фазовращателе осуществляется в заданных ТЗ пределах управляющим напряжением.
В результате на выходе генератора парных последовательностей импульсов (ГППИ) получим сформированные импульсные двуполярные трехуровневые сигналы.
Сразу отметим, что структура выходных парных сигналов с двуполярными импульсами, предполагает выполнение схемы ГППИ на аналоговых двуполярных микросхемах типа операционных усилителей, компараторов, преобразователей уровня и т. п., в сочетании с однополярными микросхемами цифровой логики.
Исходя из требований задания, структурная схема должна иметь основные компоненты, представленные на рис.1.
Рис. 1. Структурная схема ГППИ
Структурная схема довольно проста и не требует отдельных пояснений.
Далее рассмотрим функциональные узлы структурной схемы, произведем их расчет и разработаем принципиальные схемы.
Основные требования к схеме задержки импульсного сигнала (СЗИС) ГППИ:
– время задержки должно составлять от 5 % до >20 % от длительности входного импульсного сигнала с периодом 10 мс по переднему фронту (положительному) импульса;
– задержка должна плавно регулироваться необходимым управляющим напряжением <12 В;
– входной сигнал для СЗИС двухполярный симметричный импульсный сигнал амплитудой ±12…15 В;
– выходной сигнал СЗИС должен быть цифровой импульсный сигнал уровня ТТЛШ (+5 В).
Функциональная схема СЗИС должна содержать функционально связанные следующие узлы — рис.2.
Рис. 2. Функциональная схема СЗИС
В основу СЗИС положена схема задержки импульсного сигнала с комбинированным интегратором [1,5]. С добавлением в нее компаратора с управляемым порогом срабатывания — рис.3. Поскольку СЗИС собрана в программе Multisim 10, она одновременно является моделью устройства СЗИС для проверки ее функционирования и получения заданных характеристик. На рис.6 приведены временные характеристики работы схемы для времени задержки tз < 5 %*tи, при этом Uупр = -5 В. Мы видим, что время задержки tз < 3 %*tи.
Отметим, что для дальнейшего функционирования ГППИ нам необходим сдвиг по переднему фронту импульсного сигнала. Т. к. запуск одновибратора, который мы планируем применять для формирования выходных сигналов каналов осуществляется запуском импульсным сигналом по переднему фронту импульсов.
Емкость интегратора С1 определяется исходя из времени заряда за время τ1=tвх им/5=5/5=1 мс. Тогда, задав R1=R2=1000 Ом, имеем:
Далее установим напряжение управления Uупр = +10 В, получаемое при этом равна время задержки равно tз ≈ 30 %*tи — рис.4.
Рис. 3. Принципиальная схема СЗИС
Рис. 4. Временные диаграммы работы
Отметим, что период выходного задержанного сигнала равен периоду входного сигнала.
Если останавливаться на работе СЗИС, то главное заключается в том, что введенный компаратор DA1 типа LM710H, срабатывает на уровне напряжения заряда или разряда конденсатора С1 с учетом Uупр являющимся одновременно опорным напряжением для компаратора и которое меняет порог срабатывания компаратора — детектора уровня. А порог соответствует характеристике заряда и разряда С1 во времени. Таким образом формируется время задержки входного импульсного сигнала.
В случае если требуется задержка двуполярного импульсного сигнала, то выход берется непосредственно с компаратора DA1.
Для формирования задержки сигналов каналов ГППИ непосредственно перед подачей на схемы формирования выходного сигнала по каналам, возможен второй вариант построения фазовращателя.
В этом случае задержка осуществляется непосредственно на синусоидальном сигнале с помощью управляющего напряжения или с помощью ручного потенциометра. В качестве управляющего элемента служит полевой транзистор, как переменное сопротивление с управлением напряжением [2,3,5] либо просто переменный резистор — потенциометр. На рис.5 приведена схема (принципиальная) модели СЗИС с использованием управляющего полевого транзистора и ее временные характеристики работы.
Рис. 5. Схема СЗИС с управляющим элементом в виде полевого транзистора Q2
Отметим, что во всех схемах, разработанных в настоящей работе, используются импортные микросхемы (имеющие отечественные аналоги) и их модели, т. к. моделей отечественных микросхем в системе моделирования Multisim 10 не имеется.
Сложность построения формирователя заданной выходной формы сигнала связана с тем, что требуется выходной импульсный двуполярный сигнал. Этим обусловлено построение схемы формирования заданной формы выходного сигнала (СФЗФ) на аналоговых элементах.
Функциональная схема СФЗФ приведена на рис.6.
Рис. 6. Функциональная схема СФЗФ
На основе функциональной схемы разработана принципиальная схема СФЗФ и временные диаграммы, поясняющие ее работу (рис.7). Принципиальная схема выполнена, как модель СФЗФ в системе моделирования электронных систем Multisim 10.
Изменяя время задержки (сдвиг фаз) синусоидальных сигналов потенциометрами A и Z, каналов 1–1 и 1–2 мы можем сформировать выходной двуполярный сигнал требуемой нам формы.
Работа СФЗФ поясняется временными диаграммами и заключается:
– в формировании необходимого сдвига фаз по каналам 1–1 и 1–2;
– в формировании в управляемом ограничителе с помощью стабилитронов в цепи обратной связи пропорционально входному синусоидальному сигналу положительного импульсного сигнала канал 1–1 и отрицательного импульсного сигнала канал 1–2;
– в суммировании на сумматоре сдвинутых во времени (фазе) импульсных выходных сигналов по каналам 1–1 и 1–2, для формирования выходного заданного сигнала.
Рис. 7. Принципиальная схема СФЗФ и ее временные характеристики работы
Технические характеристики и значения параметров элементов схем в основном стандартные. Основные расчетные элементы, значения резисторов и емкостей интеграторов рассчитываются исходя из требования [1…5] и определяются параметрами входной частоты.
В приведенных схемах приведены параметры интеграторов, рассчитанные для входной частоты 1 кГц и задержки от 5 % до 20 % от длительности импульса входной частоты.
Для разработки общей принципиальной схемы ГППИ используем второй вариант построения СЗИС до формирования выходных сигналов по каналам и разработанную схему СФЗФ для каждого канала 1 и 2 ГППИ — рис.8.
Значения резисторов и емкостей выбраны из стандартного ряда значений.
Рис. 8. Общая принципиальная схема ГППИ
Сбор имитационного модели устройства (рис.9) и результат работы производилось в программе Multisim 10 (рис.10).
Рис. 9. Схема имитационной модели устройства
Рис. 10. Задержка сигнала
Вывод
На основе анализа полученной данной схемы можно судить о том, главным её достоинством является возможность регулировки по двум каналам задержки заданного типа сигналов относительно друг друга с помощью управляющего напряжения.
Другим достоинством схемы можно назвать относительную простоту построения, применение одинакового типа микросхем (ОУ) и основных электронных узлов схемы.
Литература:
- Андрианов С. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ЦИФРОВЫХ ИМС. — [Электронный ресурс] — http://www.pandia.ru/429222/.
2. Бойко В. И. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. — СПб.: БХВ — Петербург, 2004. — 496 с
- Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы / Пер. с англ. под ред. Б. Н. Гальперина. — М.: Мир, 1979. — 356 с.
- Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. — М.: Мир, 1978. — 323 с.
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. — Изд. 2-е. — М.: Издательство БИНОМ. — 2014. — 704 с
