Ограничители амплитуды
Ограничители амплитуды принадлежат к классу нелинейных электрических цепей, основные особенности которых были рассмотрены в разделе 2.1 настоящей главы.
Ограничителем амплитуды называется устройство, напряжение на выходе которого следует за входным напряжением до определённого его значения (порога ограничения), после чего выходное напряжение остаётся постоянным или равным нулю.
Существуют три вида ограничения:
ограничение по максимуму (ограничение сверху);
ограничение по минимуму (ограничение снизу);
двустороннее ограничение (одновременное ограничение сверху и снизу).
Верхним порогом ограничения Епв называется предельный уровень входного напряжения, выше которого выходное напряжение практически не зависит от входного.
Нижним порогом ограничения Епн называется предельный уровень входного напряжения, ниже которого выходное напряжение практически не зависит от входного. Пороги ограничения зависят от параметров и режима работы ограничителя. Они могут быть различными по величине и каждый из них может быть положительным, отрицательным или равным нулю.
На рис. 2.16. показаны положительный верхний и отрицательный нижний пороги ограничения, а на рис.2.17 – положительный нижний порог ограничения.
Рис.2.16. Напряжения на входе и выходе ограничителя с положительным
верхним и отрицательным нижним порогом ограничения
Рис.2.17. Напряжения на входе и выходе ограничителя при
положительном нижнем пороге ограничения
Таким образом, основным назначением ограничителей является изменение формы подводимого к ним входного напряжения путём «срезания» части этого напряжения. Следовательно, при ограничении происходит изменение спектрального состава входного напряжения, что возможно лишь при применении нелинейных цепей. Поэтому амплитудные ограничители должны представлять собой устройства с явно выраженной нелинейной ВАХ. В качестве нелинейных элементов чаще всего используются полупроводниковые диоды и триоды.
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
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
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:
Получение прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения (рис. 4.43)
Схема представляет собой ограничитель синусоидального сигнала, выполненный на базе стабилитрона.
В качестве понижающего трансформатора можно использовать унифицированный трансформатор кадровой развертки телевизоров ТВК-110ЛМ. На его обмотке имеется напряжение амплитудой около 20 В. Во время положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора стабилитрон выполняет свою основную функцию, в результате чего на его выводах можно наблюдать с помощью осциллографа ограниченную сверху полуволну синусоиды.
Амплитуда прямоугольного импульса зависит от напряжения стабилизации стабилитрона. Во время отрицательного полупериода сину-
Рис. 4.43. Получение прямоугольных соидального напряжения на вто-импульсов из синусоидального ричной обмотке трансформатора
напряжения стабилитрон работает как обычный
диод, падение напряжения на нем будет составлять доли вольта. В итоге на выходе схемы будет сигнал прямоугольной формы, «основание» которого немного (доли вольта) смещено вниз относительно линии развертки (осциллограф работает в режиме открытого входа).
Балластный резистор R1 выбирается из условия, чтобы максимальный ток через стабилитрон был больше 1мии и меньше 1макс.
Стабилитрон — ограничитель постоянного напряжения (рис. 4.44)
Представьте ситуацию, когда вашему транзисторному приемнику требуется питание, скажем, 9 В, а в распоряжении есть блок питания с фиксированным напряжением 15 В. Как быть?
Конечно, первая мысль — включить в цепь питания постоянный резистор, гасящий излишек напряжения. Но такой способ неприемлем из-за того, что в зависимости от громкости звука будет изменяться потребляемый приемником ток, а значит, и напряжение на нем.
Если же вместо гасящего резистора включить в цепь питания стабилитрон (см. рисунок), проблема будет решена. Теперь напряжение на нагрузке (приемнике) станет равным разности напряжений блока питания и стабилизации стабилитрона. В этом легко убедиться с помощью вольтметра постоянного тока.
Поскольку у разных экземпляров стабилитронов может отличаться напряжение стабилизации, более точно (если это нужно)
- 15В 9В
- — —
Рис. 4.44. Стабилитрон — ограничитель постоянного напряжения
выходное напряжение можно подобрать включением диода VD2 последовательно со стабилитроном. Тогда общее «гасящее» напряжение составит сумму напряжений стабилизации и прямого для данного диода. В свою очередь диод ставят либо германиевый (у него прямое напряжение может быть около 0,5 В), либо кремниевый (до 1,2 В), либо два-три последовательно соединенных диода.
Можно также соединять последовательно несколько стабилитронов (даже с разными напряжениями стабилизации) для получения нужного «гасящего» напряжения.
При выборе диодов и стабилитронов следует учитывать, чтобы ток нагрузки не превышал максимального значения выпрямленного тока для каждого диода и максимальный ток стабилизации для каждого стабилитрона. И еще следует помнить, что стабилитрон следует включать в обратном направлении, а диод — в прямом.
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.
Как из синусоиды сделать прямоугольный импульс схема
Пусть на вход двустороннего амплитудного ограничителя подаётся синусоидальное напряжение 
(рис.2.18). Поскольку ограничитель двусторонний симметричный, то
…………… (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:
,
…………………. (2.16).
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.