Формирователи прямоугольных импульсов
Формирователи прямоугольных импульсов создают их из синусоидальных изменений напряжений или импульсов другой формы. В частности, прямоугольные импульсы могут быть сформированы из одиночных коротких импульсов треугольной или трапециевидной форм, из импульсов колоколообразной или экспоненциальной форм и переменных напряжений произвольной формы.
Формирователи прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения.
Во многих случаях возникает задача формирования прямоугольных импульсов из переменных напряжений синусоидальной формы. Для этой цели можно использовать диодную схему ограничения напряжения сверху и снизу с последующим применением ждущего мультивибратора или другого формирователя прямоугольных импульсов. Наиболее простой схемой, непосредственно формирующей прямоугольные импульсы из синусоидального напряжения, является генератор импульсов напряжения на транзисторном ключевом каскаде, (рис. 4.1, а). Для биполярных
Рис. 4.1. Структурные схемы формирователей прямоугольных импульсов: а — на транзисторе; б — инверторе НЕ; в — элементе ИЛИ-НЕ транзисторов в этом каскаде номиналы сопротивлений примерно следующие: R]= 10 кОм, R2= 3,3 кОм. В такой схеме используются нелинейные свойства работы транзистора в режимах отсечки и насыщения. На ее выходе формируется последовательность практически прямоугольных импульсов 1/вых при поступлении на вход синусоидального напряжения UM. Недостатками такого формирователя являются относительно пологие фронты и срезы импульсов в последовательности и довольно большое входное напряжение (20. 30 В). Транзистор не имеет базового напряжения смещения, поэтому при отсутствии напряжения на входе он закрыт. При поступлении положительного полупериода входного сигнала транзистор полностью открывается и переходит в режим насыщения. При этом напряжение на его выходе падает до нуля. В течение отрицательного полупериода входного сигнала транзистор полностью закрыт и находится в режиме отсечки, при котором напряжение на его выходе равно напряжению питания.
Аналогичные формирователи могут быть выполнены на логических элементах: инверторе НЕ (рис. 4.1, б) и элементе ИЛИ-НЕ (рис. 4.1, в). На этих элементах получают прямоугольные импульсы ?4ых с резким фронтом и срезом при изменении входного напряжения в пределах 0. 5 В.
Другим примером является формирователь прямоугольных импульсов, собранный на двух логических элементах ИЛИ-HE, соединенных как /?5-триггер с прямыми входами (рис. 4.2, а). Дополнительно к входу R подключен инвертор, на вход которого подается входное синусоидальное напряжение вх.
Формирователь работает следующим образом (рис. 4.2, б). При синусоидальном изменении входного напряжения Uw наступает
Рис. 4.2. Формирователь прямоугольных импульсов на /?5-триггере
а — структурная схема; б — эпюры напряжений момент, когда на входе 5 элемента ИЛ И-НЕ образуется положительное напряжение, соответствующее уровню логической 1. Триггер принимает устойчивое состояние, при котором выходы Q= 1 и Р= 0. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока напряжение на входе инвертора не станет ниже уровня, соответствующего его логическому нулю. В этот момент сигнал на выходе инвертора будет соответствовать логической 1 и поступит на вход R триггера, что приведет к смене состояния на выходах Р= 1 и Q=0. В соответствии с изложенным, на верхней эпюре напряжения показан синусоидальный сигнал на входе 5схемы и пунктиром обозначены моменты перехода входного напряжения к значению, соответствующему логической единице (5=1). Ниже показаны сигналы с инвертора, поступающие на вход R. Моменты появления логической единицы (/?= 1) на входе Rтакже обозначены вертикальными пунктирными линиями. Этим моментам соответствуют переходы формирователя в новое состояние. В результате работы формирователя на его выходе образуется последовательность прямоугольных импульсов напряжения, следующих с той же частотой, что и частота входного сигнала. Вместо логических элементов ИЛИ-HE в схеме (см. рис. 4.2, а) можно использовать интегральную микросхему /?5-триггера, к входу R, которого подключен выход инвертора НЕ.
Простой генератор прямоугольных импульсов (меандра) на UC3845
В повседневной деятельности периодически возникает необходимость в простом и компактном генераторе прямоугольных импульсов с регулировкой частоты в небольших пределах. Вариантов и решений этой задачи множество — от хорошо известной всем 155ЛА3, 561ЛА7, легенды "микросхемостроения" — таймера NE555 до микроконтроллеров…
В этом материале я хотел бы поделиться опытом построения простейшего генератора, с минимальным количеством компонентов.
Так сложилось, что почти параллельно возникли 2 задачи, требующие для реализации полноценный меандр с фиксированной скважностью, равной 2 (DutyCycle=50±2%), да еще и с довольно низкой частотой порядка 0.1-10 Гц</b> и возможностью ее регулировки.
Таймер NE555 был отвергнут сразу, ввиду невозможности получения скважности 2 и ее стабильности с изменением частоты! Он все же таймер, красивый и продуманный, одна из самых легендарных и наиболее длительно выпускаемых микросхем и реализовывать на нем не специфические задачи, типа "ШИМ" считаю полным извращением и обсуждать здесь это не стану 🙂
Связка 561ЛА7 + 561ТМ2 как вариант решения задачи в лоб — не впечатлила габаритами — 2 х 14 ногих DIP на сегодняшний день — это много! NE555+561ТМ2 — то же самое по сути.
После недолгих раздумий решил протестировать достаточно классическую, надежную и широко используемую в преобразовательной технике микросхему UC3845
Это представитель линейки UC3842-3845 с весьма полезными различиями.
Сразу скажу, что для серьезных и ответственных приложений выходить за рамки нормируемых параметров и рекомендаций производителя микросхемы — не приветствуется у практикующих инженеров и разработчиков.
Если посмотреть внимательно на блок-схему, заявленную производителем, эта м/с как раз имеет все необходимое для поставленной задачи:
— задающий генератор с внешними времязадающими компонентами;
— делитель частоты на 2;
— достаточно мощный выходной каскад — фактически полноценный драйвер MosFET;
— источник опорного напряжения 5,0В;
Производитель рекомендует использовать в качестве времязадающих компонентов Ct от 100nF до 1nF и
Rt от 100 до 5 кОм. Получаемый при этом рабочий диапазон задающего генератора от 170 Гц до 500 кГц.
Следует учитывать, что частота на выходе (pin 6) микросхемы UC3845, будет в 2 раза ниже частоты задающего генератора, ввиду наличия встроенного делителя
А теперь практическая реализация с минимумом дискретных компонентов.
Для получения максимальной длительности импульса на выходе, входы Vfb, Is — соединены с минусом питания.
Заявленный производителем Maximum DutyCycle 47-50%. На практике он близок к 50%
Как показали опыты, UC3845 вполне стабильно и четко работает с задающими емкостями более 100nF
Протестирована устойчивая работа с Ct (С1)= 1, 10, 22, 47, 100 мкФ.
Для C1=10 мкФ и R1=100 кОм (R2=0) получаем следующее
Формирование прямоугольных импульсов из синусоиды
Этот метод формирования импульсов имеет весьма существенное преимущество, заключающееся в том, что стабильность частоты входного синусоидального напряжения может быть достаточно высокой, и, следовательно, частота сформированной периодической последовательности импульсов будет также строго постоянной. Это преимущество будет реализовано, если в качестве генератора синусоидальных колебаний будет работать кварцевый генератор.
Основной задачей при формировании импульсов из синусоиды является получение импульсов, по возможности близких по форме к прямоугольным, т.е. с наивысшей крутизной фронта и среза.
Пусть на вход двустороннего амплитудного ограничителя подаётся синусоидальное напряжение 
(рис.2.18). Поскольку ограничитель двусторонний симметричный, то
Епв = Епн = Еп.
Напряжение на выходе будет следовать за напряжением на входе до тех пор, пока не достигнет величины Еп. Напряжение на выходе будет определяться как
…………… (2.15).
Если учесть, что длительность фронта τф значительно меньше периода синусоиды Т, т.е. 
и, следовательно, 
, то можно функцию синуса заменить его аргументом. В результате получим:
Рис.2.18. Получение прямоугольных импульсов при двустороннем
симметричном ограничении синусоиды
,
После несложных преобразований получим
…………………. (2.16).
Из этого выражения следует, что формируемое напряжение будет тем ближе к прямоугольной форме, чем больше будет амплитуда синусоиды, чем больше её частота и чем меньше будет порог ограничения Еп. Однако бесконечно увеличивать амплитуду синусоиды на входе ограничителя нельзя, так как это напряжение ограничено величиной допустимой электрической прочности элементов схемы. Чтобы всё-таки увеличить крутизну фронтов формируемых импульсов, полученное после ограничения напряжение усиливают и вновь ограничивают до тех пор, пока не получат необходимого значения крутизны фронтов.
В зависимости от способа включения диода и нагрузки различают два вида ограничителей:
· диодные ограничители с последовательным включением диода
· диодные ограничители с параллельным включением диода и нагрузки.
Диодные ограничители с последовательным включением
Диода и нагрузки
Ограничители с нулевым порогом ограничения.
Схема такого ограничителя приведена на рис.2.19,а. Эпюры напряжений показаны на рис.2.19,б.
а)б)
Рис.2.19. Последовательный ограничитель с нулевым порогом
а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений.
Из схемы следует, что входное напряжение Uвх распределяется между диодом VD и резистором нагрузки Rн. От соотношения их сопротивлений зависит, какая часть напряжения Uвх выделяется на выходе. Сопротивление диода в прямом направлении Rпр << Rн. Поэтому положительная полуволна напряжения 
практически полностью выделится на выходе. Сопротивление диода в обратном направлении Rобр>> Rн.Поэтому отрицательная полуволна 
практически полностью выделяется на диоде, и Uвых≈ 0.
Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение входного напряжения снизу с порогом ограничения, равным нулю.
Ограничение сверху с нулевым порогом ограничения можно получить, изменив полярность включения диода (рис.2.20,а; б).
а) б)
Рис.2.20. Последовательный ограничитель с нулевым порогом
а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений
Ограничители с нулевым порогом ограничения применяются для исключения импульсов определённой полярности из последовательности разнополярных импульсов (рис.2.21).
Рис.2.21. Получение импульсов одной полярности из последовательности
Ограничители с ненулевым порогом ограничения.
Для получения порога ограничения, отличного от нуля, последовательно с нагрузкой включают напряжение смещения Есм, равное выбранному порогу ограничения.
В схеме, изображенной на рис.2.22, при отсутствии входного сигнала от источника смещения Есм на катод диода VD подаётся отрицательный потенциал, а анод диода через источник входного сигнала соединяется с положительным полюсом + Есм. Диод смещается в прямом направлении, т.е. рабочая точка диода сдвигается вправо по ВАХ.
а)
б)
Рис.2.22. Ограничитель снизу с отрицательным порогом ограничения:
а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений
Таким образом, до поступления входного напряжения диод открыт и через резистор Rн протекает ток, создающий на нём напряжение с полярностью, указанной на рисунке. Если пренебречь сопротивлением источника сигнала и по-прежнему считать, что Rн>> Rпр, то основным сопротивлением в цепи будет Rн, поэтому до начала действия Uвх напряжение на нагрузке URн≈ Есм и Uвых = URн – Есм≈ 0. Положительная полуволна напряжения Uвх действует согласно с Есм и почти целиком (т.к. Rн>> Rпр), выделяется на резисторе Rн. Поэтому URн = Есм + Uвх и Uвых = URн – Есм = Uвх, т.е. выходное напряжение, начиная нарастать от нуля, повторяет все изменения входного напряжения.
При действии отрицательной полуволны входного напряженияисточника Есм и Uвх оказываются включёнными встречно, так что результирующее напряжение в цепи будет равно Uвых = Есм – Uвх, где Uвх – абсолютное значение напряжения. Пока напряжение Есм – Uвх > 0, диод остаётся смещённым в прямом направлении, он проводит ток и напряжение на выходе равно входному.
В некоторый момент времени напряжение отрицательной полуволны достигает значения, равного –Есм. Начиная с этого момента, диод запирается, и дальнейшее увеличение Uвх не влияет на выходное напряжение. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение снизу с отрицательным порогом Uогр = – Есм.
Если в схеме рис.2.22 изменить полярность источника смещения Есм
и направление включения диода, то получится схема, изображённая на рис.2.23
а) б)
Рис.2.23. Ограничитель сверху с положительным порогом ограничения:
а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.
Как и в предыдущей схеме, здесь до начала действия Uвх напряжение на выходе равно нулю. С началом действия положительной полуволны входного напряжения диод будет проводить ток до того момента, когда величина Uвх, действующего на катоде, станет равной потенциалу анода (т.е. + Есм), после чего диод запирается. В запертом состоянии диод будет находиться до тех пор, пока уменьшающееся на катоде напряжение Uвх не станет вновь равным потенциалу + Есм, после чего диод вновь отпирается, и через него и резистор Rн начинает протекать ток. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение сверху с положительным порогом Uогр = + Есм.
Рассмотрение других сочетаний полярности источника смещения и направления включения диода не сложно.
Комбинируя ограничения сверху и снизу, можно получить двусторонний ограничитель (рис.2.24), который используется для получения трапецеидальных импульсов из синусоидального напряжения. Диод VD1 пропускает положительную полуволну входного напряжения, но ограничивает отрицательную полуволну на уровне – Есм, подобно схеме рис.2.22. Диод VD2 пропускает на выход схемы отрицательную полуволну, но ограничивает положительную полуволну на уровне + Есм, подобно схеме рис.2.23.
а) б)
Рис.2.24. Двусторонний симметричный ограничитель:
а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.
Необходимо иметь в виду, что временные диаграммы, изображённые на рис.2.22 …2.24, соответствуют идеальному диоду, у которого Rпр = 0
и Rобр = ∞.
Достоинства схем с последовательным включением диода и нагрузки:
· чёткое (чистое) ограничение, т.к. диод в запертом состоянии отключает нагрузку от входной цепи.
Недостатком схем с последовательным включением диода и нагрузки следует считать то, что при большой крутизне фронта входного напряжения
(т.е. при работе с высокочастотными составляющими спектра) начинает сказываться паразитная ёмкость схемы, которая вместе с сопротивлением нагрузки создаёт дифференцирующую цепь, искажающую форму выходного напряжения.