|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы Дифференциатор состоит из двух усилителей выборки-хранения (УВХ) и ОУ. Как показано в гл. 8, УВХ обеспечивают выборку входного сигнала в течение короткого промежутка времени, а затем длительное время удерживают на выходе выбранное напряжение. В результате этого выходное напряжение УВХ1 представляет собой ступенчатую аппроксимацию линейно изменяющегося входного сигнала Ubx- Чем выше частота выборок входного сигнала, тем точнее аппроксимация Ubx получается на выходе УВХ1. Дифференциальный усилитель на А1 усиливает разность Ubx - Ubhxi- В течение времени выборки эта разность равна нулю и, следовательно, равны нулю выходное напряжение Л/ и входное напряжение УВХ2. Однако в течение каждого периода хранения УВХ1 дифференциальный входной сигнал Л/ не равен нулю, поскольку входной сигнал дифференциатора продолжает изменяться, а выходной сигнал УВХ1 сохраняется постоянным. Таким образом, в режиме хранения УВХ1 напряжение на выходе Л/ увеличивается пропорционально изменению входного напряжения во времени. Если изменение Ubx относительно Увых! сравнительно мало в течение времени хранения УВХ1, то эта пропорциональность является линейной. Как на входе ДУ, так и на выходе Л/ изменение напряжения имеет пилообразную форму. Вершины пилоообразных сигналов образуют огибающую, которая представляет собой производную по времени от входного сигнала. Чтобы выделить эту огибающую, применяется УВХ2, которое в режиме выборки повторяет входной пилообразный сигнал и переходит к хранению, когда достигается напряжение, соответствующее вершине сигнала. Таким образом, на выходе УВХ2 появляется ступенчатая аппроксимация производной входного сигнала. В рассматриваемом дифференциаторе высокочастотная составляющая шума не оказывает на его работу столь существенного влияния, как в обычной схеме на ОУ. Преимуществом рассмотренной схемы является то, что рабочая частота здесь устанавливается простым изменением частот выборок УВХ. Благодаря этому дифференциатор может работать в широком диапазоне частот входного сигнала в отличие от своего аналогового варианта, где увеличение постоянной времени дифференцирующей RC-тпи для уменьшения влияния шума приводит к сужению полосы рабочих частот. Математическое описание работы устройства может быть представлено уравнением Up= {dU/dt)dt, где Up - результирующее выходное напряжение непосредственно перед следующей выборкой входного сигнала, dU/dt - изменение входного напряжения между выборками. Период выборки УВХ1 следует сразу за переходом УВХ2 к хранению. Чтобы этого достичь, можно для управления работой УВХ1 использовать одновибратор на таймере КР1006ВИ1 (см. гл. 7). Длительности выборок УВХ можно установить одинаковыми, если применить запоминающие конденсаторы Сз\ и С32 с одинаковой емкостью. Емкости конденсаторов C31 и С32 выбираются в зависимости от максимальной величины приращения входного сигнала между соседними выборками и частоты выборок. Чтобы обеспечить наибольшую точность дифференцирования, необходимо устанавливать частоту выборок не менее чем в 100 раз выше частоты входного сигнала. Учитывая, что время выборки указанного типа УВХ около 1 мкс, максимальная частота входного сигнала равна 10 кГц. При этом точность дифференцирования будет не выше 1%. Рекомендуется применять запоминающие конденсаторы емкостью 100 пФ... ...0,015 мкФ. Скважность управляющих выборкой импульсов определяет точность аппроксимации входного сигнала на вы.ходах УВХ. Показанная на рис. 4.37 схема может выполнять функции интегратора, дифференциатора или активного фильтра в зависимости от сочетания параметров внешних элементов. По существу показанная схема является полосовым активным фильтром с Т-образной цепью ОС ОУ [4]. Чтобы продемонстрировать универсальность применения показанной схемы, необходимо получить в общем виде выражение для ее передаточной характеристики. Учитывая, что для ОУ в инвертирующем включении справедливо уравнение t/Bbix/fBx = 2oc/-Zi, получаем /вь,х /вх =-Ки/U+С2{\+pC,R,)/Ci{l +P2C2R3) + + (l+Ku){i+pCiRi) {I +2pC2R3 + PClR2R3)/pCiC2(l +2pC2R3)l где Ки - коэффициент усиления ОУ. При R\C\ = 2R2,C2, предполагая, что Ки-°° получаем Ubu./Ub.= -2p/C2Ri{p + 2/C2R2+1/CIR2R3). Последнее выражение принимает вид передаточной характеристики, свойственной дифференциатору при R2 = R3- Тогда Vbhk/Ubx = 2p/RiC2(p-\-+ 1 ?2С2). Таким образом, при использовании ОУ с большими значениями коэффициентов усиления (Ки>0) и выборе параметров внешних элементов так, чтобы выполнялись равенства C\R\=2C2R3 и R2 - R3, показанная на рис. 4.37 схема обеспечит дифференцирование входного сигнала. Теперь исключим R2 из схемы, т. е. предположим, что /?2-»-оо, и так же как в предыдущем случае, выполним равенство RiCi = = 2/?зС2 и выберем ОУ, для которого справедливо предположение Киоо. Тогда получим выражение передаточной характеристики схемы, характерное для интегратора, т. е. Ubm./Ub.= -2/pRiC2. i!u: Ряс. 4.37. Универсальная схема Дифференциатора  Предположим, что известны или заданы сопротивление входного резистора R1, коэффициент демпфирования g, центральная и нижняя частоты полосового фильтра со и со„ соответственно. Тогда параметры внешних элементов можно вычислить из выражений С,=2е/соо/?1, С2 = 2со„/соо1, /?2 = 03o/?i/2eco„, /?3 = 6fi)o/?i/2a)„. При указанных значениях внешних резисторов и конденсаторов и Кц- -оо передаточная характеристика показанной схемы принимает вид, характерный для активного фильтра 2-го порядка: t/вых/[/вх = = - соор/оз„ (р + 2есооР + tog). 4.6. ОБРАБОТКА РАДИОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ Наиболее распространенными устройствами обработки радиочастотных сигналов являются умножители частоты, модуляторы-демодуляторы и различные амплитудные, частотные и фазовые детекторы. Умножители частоты. В основу построения схем удвоителей и утроителей частоты положены следующие общеизвестные преобразования тригонометрических функций: cos 2л: = 1 - 2sinx; sin3x= ==3sinx - 4sinx. Схемная реализация удвоителя частоты с применением аналогового перемножителя очевидна. Для этого следует объединить входы перемножителя и подать на них синусоидальное напряжение Uk sin соЛ В этом случае выходное напряжение перемножителя будет иметь вид /(п/7м(1 - cos2cof), где -коэффициент передачи перемножителя, т. е. в выходном сигнале перемножителя будут содержаться некоторая постоянная составляющая напряжения и сигнал удвоенной частоты. Если нет необходимости сохранять форму входного сигнала, а нужно просто удвоить частоту, то можно воспользоваться схемой выделения абсолютной величины сигнала (см. § 4.3). При двухполярном синусоидальном сигнале на выходе такой схемы частота сигнала удваивается. Другой тип схем удвоения частоты строится на базе интегратора (рис. 4.38). На в.ходе интегратора может быть включен компаратор напряжения, который преобразует сигнал практически любой формы и амплитуды в однополярные прямоугольные импульсы t/вх. Сформированные таким образом прямоугольные сигналы интегрируются с помощью Л/ и тем самым сдвигаются по фазе. Выходной сигнал интегратора преобразуется с помощью компаратора на А2 в прямоугольные импульсы, сдвинутые по фазе относительно в.ходных пря- ><.!< - -IK  [ Рис. 4.38. Схема удвоителя частоты 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [ 39 ] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 |