На сегодняшнем мероприятии, посвящённом Дню пивовара России, поговорим о радиоаппаратах с самовозбуждением, а конкретно — об устройствах, охваченных цепью положительной обратной связи и позволяющих выдавать на выходе периодические сигналы определённой колебательной природы.
А начнём с самого простого — генераторов прямоугольных импульсов с использованием цифровых КМОП микросхем.
Тема наболевшая: "Исследование разнообразных схемотехнических построений и характеристик генераторов на ИМС структуры КМОП".
О состоянии дел на участке генераторостроительного цеха и изыскании внутренних резервов "доложит нам начальник транспортного цеха".
Опишем несколько схемных решений генераторов прямоугольных импульсов, построенных на различных микросхемах серии К561, или каких-либо им подобным.
Все представленные схемы могут быть реализованы на элементах 2И—НЕ (ЛА7), 2ИЛИ—НЕ (ЛЕ5), триггерах Шмитта (ТЛ1), или инверторах (ЛН2).
В качестве докладчика выступил и поделился своими знаниями в журнале Радио №1 (2000г) господин С.Елимов — достойный сын столицы славной, города-героя Шупашкар (по-нашему — Чебоксары).
 Рис.1 |
Генератор, изображённый на Рис.1 сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 2В. При изменении значения Uпит от 5 до 15В уход частоты в сторону увеличения составляет примерно 10%.
Скважность импульсов близка к двум при любом напряжении питания.
В результате разогрева корпуса микросхемы частота несколько уменьшается (на 4% при 85°С).
С погрешностью, не превышающей 10%, можно вычислить частоту генерации данной схемы — F = 0,48/(R1×C1) .
Рис.2
Несколько лучшим параметром стабильности обладает генератор, выполненный на трех логических элементах и представленный на Рис.2.
Формула для вычисления частоты генерации данной схемы F = 0,54/(R1×C1) .
Обе схемы обладают весомыми величинами потребления тока, увеличивающимся с повышениями напряжения питания и частоты генерации. Значения эти находятся в диапазоне — от единиц до десятков мА.
Рис.3
Подобные по структуре генераторы можно выполнить и на одном элементе — триггере Шмитта (Рис.3).
При напряжении питания, близком к максимальному, они весьма стабильны по частоте.
Кроме того, они исключительно экономичны — при напряжении питания менее 6 В ток потребления составляет всего несколько десятков микроампер.
Частота генерации приведённой на Рис.3 схемы
F = 0,59/(R1×C1) .
Рис.4
Скважность импульсов приведённых генераторов близка к двум, однако из-за несимметричности входных защитных цепей некоторых типов микросхем возможно некоторое отклонение формы выходных сигналов от меандра.
Если требуется иметь на выходе идеально симметричные импульсы, то после схемы генератора следует поставить триггер — делитель частоты на 2, либо использовать симметричный мультивибратор (Рис.4).
Формула для вычисления частоты генерации данной схемы
F = 0,50/(R1×C1) .
Как не прискорбно, но это факт — стабильность колебаний RC генераторов невысока.
Рис.5
На Рис.5 показана схема простейшего LC-генератора. LC-цепь сдвигает фазу выходного сигнала элемента на 180°, в результате чего происходит самовозбуждение генератора.
Такие генераторы хорошо работают на повышенных значениях частоты, мягко возбуждаются и отличаются высокой температурной стабильностью.
Для устойчивой работы генератора величина волнового сопротивления LC-контура не должна быть менее 2кОм.
Частота генерации практически совпадает с резонансной частотой LC-контура и описывается стандартной формулой F= 1/2π√ LС .
Формулы для расчёта частоты рассматриваемых генераторов соответствуют напряжению питания 5В и температуре окружающей среды 25°С.
Нагрузочная способность генераторов такая же, как у элементов применяемых серий микросхем.
Нижний предел сопротивления резистора R1 соответствует приблизительной величине — не менее 1кОм, верхний — десятки МОм.
"Спасибо начальнику транспортного цеха! У нас есть вопросы к докладчику?"
Вопросов к докладчику не имеем, можно переходить к таблице для расчёта номиналов элементов генератора, исходя из заданной частоты генерации.
Схему, приведённую на Рис.5, из калькулятора вычёркиваем по причине существования ранее разработанной таблицы ссылка на страницу, позволяющей рассчитать элементы резонансного LC-контура для высоких и низких частот. Там же высчитывается и величина волнового (оно же — характеристическое) сопротивления получившегося LC-контура.
Для остальных схем, для получения на выходе предсказуемой формы сигнала со скважностью близкой к двум, рекомендую выбирать значение сопротивления резистора R1 от 10к и выше.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ.
Все представленные характеристики генераторов получены в результате экспериментов вышеуказанного уважаемого автора с конкретными образцами микросхем. С другими экземплярами микросхем характеристики могут быть несколько отличными.
Скважность импульсов описанных генераторов близка к двум, ну а генераторы импульсов с раздельной установкой длительности импульсов и паузы между ними рассмотрим на следующей странице.
Генераторы на КМОП логике по принципу построения ничем не отличаются от генераторов на ТТЛ микросхемах, но ввиду малого энергопотребления КМОП микросхемами и гораздо меньших рабочих токов (в частности входных) отличия все же имеются. Прежде всего, для генераторов КМОП логики характерны большие величины времязадающих резисторов (десятки и сотни кОм в отличие от сотен Ом для ТТЛ) и малые емкости конденсаторов. К примеру, классическая схема генератора (рис.1), собранная на 561 серии при сопротивлении резистора менее 1 кОм вообще не запустится.
Ниже у МОП генераторов получится и максимальная частота генерации, которая ограничена верхней частотой переключения МОП элементов (обычно до 2 МГц). Причем эта частота падает при снижении напряжения питания. Достоинством же генераторов на КМОП микросхемах можно считать широкий диапазон питающих напряжений (для 561 серии напряжение питания может лежать в диапазоне от 2 до 12 В, тогда как ТТЛ логика достаточно жестко привязана к напряжению питания 5В, 10% погрешность). Плюс малые величины, а значит и габариты времязадающих конденсаторов и, главное, очень малое энергопортебление (1 мА и менее).
Если требуется повысить стабильность частоты генерации, то имеет смысл применить схему на трех инверторах.
Ну и еще более стабильными получатся генераторы, в качестве частотозадающего элемента в которых используется индуктивность. В этом случае схема простейшего мультивибратора будет выглядеть так:
Из-за того, что переключение логического элемента не происходит ровно при половине питающего напряжения, длительность импульса простого КМОП генератора сильно отличается от длительности паузы. При необходимости получить четкий меандр со скважностью 2, придется использовать более сложную схему:
Здесь длительность паузы и длительность импульса можно изменять независимой подборкой сопротивлений R1 и R2.
Следующие две схемы позволяют оперативно регулировать либо длительности импульса и паузы раздельно (рисунок а), либо менять скважность (одновременное уменьшение одной характеристики с увеличением другой)
:
Вообще же для получения идеально четкой скважности 2 лучше использовать счетный триггер, подключенный к выходу мультивибратора, настроенного на частоту вдвое большую, чем необходимо получить.
Есть вариант получения скважности 2 или так называемого «меандра» и проще. Для этого придется собрать симметричный мультивибратор на микросхеме К561ТЛ1. При равенстве сопротивлений и емкостей в плечах, такой генератор будет выдавать четкий «прямоугольник» со скважностью 2.
Частоту генерации можно определить по следующей формуле: F=1.05/R1*C1, где F – частота в килогерцах, R – сопротивление резистора R1 = R2 в килоомах, С – емкость конденсатора C1=C2 в микрофарадах. Мультивибратор может быть собран и на микросхемах К561ЛЕ5 или К561ЛА7, однако фронт и спад импульсов в этом случае будет несколько завален.
А вот еще несколько схем симметричных мультивибраторов: 
Ну и когда к стабильности частоты предъявляются совсем уже жесткие требования, то как и в случае с ТТЛ-генераторами, без кварцевого резонатора не обойтись:
Обратите внимание, что в частотозадающую цепь может быть подключен подстроечный конденсатор небольшой емкости, позволяющий слегка изменять частоту генерации. Стабильность же при этом будет все равно зависеть от стабильности кварцевого резонатора.
 |
|
|
|
 |
 |
Транзистор включен по схеме с общей базой. Резисторный делитель напряжения R1- R2 создает на базе смещение рабочей точки. Конденсатор C3 шунтирует R2 по высокой частоте. R3 включен в эмиттерную цепь для ограничения тока протекающего через транзистор. Конденсатор C1 и катушка L1 образуют частотозадающий колебательный контур. Кондер C2 обеспечивает положительную обратную связь (ПОС), необходимую для генерации. Механизм генерации Упрощенно схему можно представить так:
Вместо транзистора мы ставим некий «элемент с отрицательным сопротивлением». По сути – усилительный элемент. То есть, ток на его выходе больше, чем ток на входе (так вот хитро). К входу этого элемента подключен колебательный контур. С выхода элемента на этот же колебательный контур подана обратная связь (через кондер C2). Таким образом, когда на входе элемента ток увеличивается (происходит перезарядка контурного конденсатора), увеличивается ток и на выходе. Через обратную связь, он подается обратно на колебательный контур – происходит «подпитка». В результате, в контуре устаканиваются незатухающие колебания. Все оказалось проще пареной репы (как всегда). В безбрежном инете можно еще встретить такую реализацию этого же генератора:
Схема называется «емкостная трехточка». Принцип работы – тот же. Во всех этих схемах сгенерированный сигнал можно снимать либо непосредственно с коллектора VT 1, либо использовать для этого катушку связи, связанную с контурной катушкой. Эту схему выбираю я, и советую вам.
R1 – ограничивает ток генератора, R2 – задает смещение базы, C1, L1 – колебательный контур, Катушка L1 имеет отвод, к которому подключен эмиттер транзистора. Этот отвод должен быть расположен не ровно посередине, а ближе к «холодному» концу катушки (то есть тому, который соединен с проводом питания). Кроме того, можно вообще не делать отвод, а намотать дополнительную катушку, то есть – сделать трансформатор:
Эти схемы идентичны. Для понимания того, как работает такой генератор, давайте рассмотрим именно вторую схему. При этом, левая (по схеме) обмотка будет вторичной, правая – первичной. Когда на верхней обкладке C1 увеличивается напряжение (то есть, ток во вторичной обмотке течет «вверх»), то на базу транзистора через конденсатор обратной связи C2 подается открывающий импульс. Это приводит к тому, что транзистор подает на первичную обмотку ток, этот ток вызывает увеличение тока во вторичной обмотке. Происходит подпитка энергией. В-общем – то, все тоже довольно просто. Мое небольшое ноу-хау: можно поставить между общим и базой диод:
Этот диод ускоряет перезаряд C2, что приводит к увеличению мощности генерируемого сигнала. Однако, вместе с тем, это вносит в сигнал нелинейные искажения, так что на выходе придется ставить фильтры НЧ для подавления паразитных гармоник. Сигнал во всех этих схемах снимаем с эмиттера транзистора либо через дополнительную катушку связи непосредственно с контура. Двухтактный генератор для ленивых Самая простая схема генератора, какую только мне приходилось когда-либо видеть:
В этой схеме легко улавливается схожесть с мультивибратором. Я вам скажу больше – это и есть мультивибратор. Только вместо цепочек задержки на конденсаторе и резисторе (RC-цепи), здесь используются катушки индуктивности. Резистор R1 устанавливает ток через транзисторы. Кроме того, без него генерация просто-напросто, не пойдет. Механизм генерации: Допустим, VT1 открывается, через L1 течет коллекторный ток VT1. Соответственно, VT2 закрыт, через L2 течет открывающий базовай ток VT1. Но поскольку сопротивление катушек раз в 100…1000 меньше сопротивления резистора R1, то к моменту полного открытия транзистора, напряжение на них падает до очень маленького значения, и транзистор закрывается. Но! Поскольку до закрытия транзистора, через L1 тек большой коллекторный ток, то в момент закрытия происходит выброс напряжения (ЭДС самоиндукции), который подается на базу VT2 открывает его. Все начинается по новой, только с другим плечом генератора. И так далее… Этот генератор имеет только один плюс – простота изготовления. Остальные – минусы. Поскольку в нем отсутствует четкое времязадающее звено (колебательный контур или RC-цепь), то частоту такого генератора рассчитать весьма сложно. Она будет зависеть от свойств применяемых транзисторов, от напряжения питания, от температуры и т.д. Во-общем, в серьезных вещах этот генератор лучше не использовать. Однако, в диапазоне СВЧ его применяют довольно часто. Двухтактный генератор для трудолюбивых Другой генератор, который мы рассмотрим – тоже двухтактный. Однако, он содержит колебательный контур, что делает его параметры более стабильными и прогнозируемыми. Хотя, по сути, он тоже довольно прост.
Что мы здесь видим? Видим колебательный контур L1 C1, Опытный глаз (да и не сильно опытный), обнаружит и в этой схеме схожесть с мультивибратором. Ну что же – оно так и есть! Чем примечательна данная схема? Да тем, что ввиду использования двухтактного включения, она позволяет развивать двойную мощность, по сравнению со схемами 1-тактных генераторов, при том же напряжении питания и при условии применения тех же транзисторов. Во как! Ну, в общем, у нее почти нет недостатков 🙂 При перезаряде конденсатора в одну или другую сторону, через один из конденсаторов обратной связи поступает ток на соответствующий транзистор. Транзистор открывается, и добавляет энергию в «нужном» направлении. Вот и вся премудрость. Особо изощренных вариантов исполнения этой схемы я не встречал… Теперь немного креатива. Генератор на логических элементах Если использование транзисторов в генераторе кажется вам несовременным или громоздким или недопустимым по религиозным соображениям – выход есть! Можно использовать вместо транзисторов микросхемы. Обычно используется логика: элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, реже – Исключающее ИЛИ. Вообще говоря, нужны только элементы НЕ, остальное – излишества, только лишь ухудшающие скоростные параметры генератора.
Видим страшную схему. Квадратики с дырочкой в правом боку – это инвертеры. Ну или – «элементы НЕ». Дырочка как раз указывает на то, что сигнал инвертируется. Что такое элемент НЕ с точки зрения банальной эрудиции? Ну, то есть, с точки зрения аналоговой техники? Правильно, это усилитель с обратным выходом. То есть, при увеличении напряжения на входе усилителя, напряжение на выходе пропорционально уменьшается . Схему инвертера можно изобразить примерно так (упрощенно):
Это конечно, слишком просто. Но доля правды в этом есть. Итак, смотрим схему генератора. Имеем: Два инвертера ( DD1.1, DD1.2) Колебательный контур L1 C1 Заметьте, что колебательный контур в этой схеме – последовательный. То есть, конденсатор и катушка стоят друг за другом. Но это – все равно колебательный контур, он рассчитывается по тем же формулам, и ничуть ни хуже (и не лучше) своего параллельного собрата. Начнем сначала. Зачем нам нужен резистор? Резистор создает отрицательную обратную связь (ООС) между выходом и входом элемента DD1.1. Это надо для того, чтобы держать под контролем коэффициент усиления – это раз, а также – чтоб создать на входе элемента начальное смещение – это два. Как это работает, подробно мы рассмотрим где-нибудь в обучалке по аналоговой технике. Пока что уясним, что благодаря этому резистору, на выходе и входе элемента, в отсутствие входного сигнала, устаканивается напряжение, равное половине напряжения питания. Точнее – среднему арифметическому напряжений логических «нуля» и «единицы». Не будем пока на этом заморачиваться, у нас еще много дел… Итак, на одном элементе мы получили инвертирующий усилитель. То есть, усилитель, который «переворачивает» сигнал вверх ногами: если на входе много – на выходе мало, и наоборот. Второй элемент служит для того, чтобы сделать этот усилитель неинвертирующим. То есть, он переворачивает сигнал еще раз. И в таком виде, усиленный сигнал подается на выход, на колебательный контур. А ну-ка, смотрим внимательно на колебательный контур? Как он включен? Правильно! Он включен между выходом и входом усилителя. То есть, он создает положительную обратную связь (ПОС). Как мы уже знаем из рассмотрения предыдущих генераторов, ПОС нужна для генератора, как валерьянка для кота. Без ПОС ни один генератор не сможет что? Правильно – возбудиться. И начать генерацию… Все наверно знают такую вещь: если к входу усилителя подключить микрофон, к выходу – динамик, то при поднесении микрофона к динамику, начинается противный «свист». Это – ни что иное как генерация. Мы же подаем сигнал с выхода усилителя на вход. Возникает ПОС. Как следствие, усилитель начинает генерить. Ну, короче, посредством LC -цепочки в нашем генераторе создается ПОС, приводящая к возбуждению генератора на резонансной частоте колебательного контура. Ну что, сложно? Теперь поговорим о разновидностях подобных генераторов. Во-первых, вместо колебательного контура, можно включить кварц. Получится стабилизированный генератор, работающий на частоте кварца:
Если в цепь ОС элемента DD1.1 включить вместо резистора колебательный контур – можно завести генератор на гармониках кварца. Для получения какой-либо гармоники, нужно, чтобы резонансная частота контура была близка к частоте этой гармоники:
Если генератор делается из элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, то входы этих элементов нужно запараллелить, и включать как обычный инвертор. Если используем Исключающее ИЛИ, то один из входов каждого элемента сажается на + питания. Пара слов о микросхемах. Серии ТТЛШ: К555, К531, КР1533 Рассмотренные здесь генераторы – далеко не все, что могут повстречаться вам в этой нелегкой жизни. Но зная основные принципы работы этих генераторов, будет уже намного проще понять работу других, укротить их и заставить работать на себя 🙂 Дальше мы немного поговорим об усилителях и займемся модуляторами. «> Комментировать
425 просмотров Комментариев нет, будьте первым кто его оставит
Это интересно
Adblock detector
|
