О
ЧЕМ ПОВЕДАЛ ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС
Разве может о чем-то поведать импульс? —
скажете вы. Импульс он и есть импульс, только прямоугольной формы.
Но в том-то и дело,
что до сих пор мы лишь наблюдали на экране осциллографа подобные импульсы,
скажем, во время настройки электронного коммутатора, и по их наличию судили об
исправности генератора. Если же использовать прямоугольный импульс в качестве
контрольного сигнала и подавать его, например, на вход усилителя 3Ч, то по форме выходного
сигнала можно сразу же оценить работу усилителя и назвать его недостатки —
малую полосу пропускания, недостаточное усиление на низших или высших частотах,
самовозбуждение в какой- то области частот.
А возьмите
широкополосный делитель напряжения, используемый» например, в самодельных
измерительных приборах или осциллографах. «Пропущенный» через него
прямоугольный импульс подскажет точные параметры деталей, необходимые для получения
неизменного коэффициента деления сигнала в широком диапазоне частот.
Чтобы сказанное
стало понятно, давайте сначала познакомимся с некоторыми параметрами
импульсного сигнала, которые нередко упоминаются в описаниях различных генераторов,
устройств автоматики и вычислительной техники. Для примера на рис. 97 показан
«внешний вид» несколько искаженного (по сравнению с прямоугольным) импульса,
чтобы нагляднее были видны его отдельные части.
Один
из параметров импульса — его амплитуда (UMaKC), наибольшая высота импульса
без учета небольших выбросов. Продолжительность нарастания импульса характеризует
длительность фронта tф, а убывания — длительность
спада tc. Продолжительность же
«жизни» импульса определяет длительность tи —
время между началом и концом импульса, отсчитываемое обычно на уровне 0,5
амплитуды (иногда на уровне 0,7).
Вершина импульса
может быть плоской, с завалом или подъемом. У прямоугольного импульса вершина
плоская, а фронт и спад настолько крутые, что определить их длительность по
осциллографу не удается.
Импульсный сигнал
оценивают еще и скважностью, показывающей соотношение между длительностью
импульса и периодом следования импульсов. Скважность — частное от деления
периода на длительность. В показанном на рис. 97, б примере скважность равна
3.
Вот теперь, после
краткого знакомства с импульсом и его параметрами, построим генератор
прямоугольных импульсов, необходимый для последующих экспериментов. Он может
быть выполнен как на транзисторах, так и на микросхемах. Главное, чтобы генератор
выдавал импульсы с крутыми фронтами и спадами, а также с возможно более плоской
вершиной. Кроме того, для наших целей скважность должна находиться в пределах
2 .3, а частота следования импульсов составлять в одном режиме примерно 50
Гц, а в другом — 1500...2000 Гц. Чем вызваны частотные требования, вы узнаете
позже.
Наиболее просто
обеспечить поставленные требования может генератор на микросхеме и транзисторе
(рис. 98).
Он содержит немного деталей, работоспособен при снижении
напряжения питания до 2,5 В (при этом падает в основном амплитуда сигнала) и
позволяет получить выходные импульсы амплитудой до 2,5 В (при указанном напряжении питания) при
скважности 2,5.
Собственно
сам генератор выполнен на элементах DD1.1 —DD1.3 по известной схеме мультивибратора. Частота
следования импульсов зависит от сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора, подключенного в данный
момент переключателем SA1. В показанном на схеме
положении подвижного контакта переключателя к генератору подключен
конденсатор С1, поэтому импульсы на выходе генератора (вывод 8 элемента DD1.3) следуют с частотой 50 Гц (период следования 20
мс). Когда подвижный контакт переключателя будет поставлен в нижнее по схеме
положение, подключится конденсатор С2 и частота следования станет равной
примерно 2000 Гц (период следования 0,5 мс).
Далее импульсный сигнал поступает через резистор R2 на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT1. С движка переменного резистора R3, являющегося нагрузкой повторителя, сигнал подается на выходной зажим
ХТ1. В итоге с зажимов ХТ1 ХТ2 можно снимать прямоугольные импульсы
амплитудой от нескольких десятков милливольт до единиц вольт.
Если по каким-либо причинам
даже минимального сигнала окажется в избытке (например, при проверке весьма
чувствительного усилителя), выходной сигнал можно уменьшить либо включением
между верхним по схеме выводом резистора R3
и эмиттером транзистора постоянного резистора сопротивлением 1. 3 кОм,
либо применением внешнего делителя напряжения.
Несколько слов о
деталях. В генераторе могут работать элементы И-НЕ других микросхем серий К155
(скажем, К155ЛА4), а также любой транзистор серии КТ315. Конденсатор CI — К50-6 или другой,
рассчитанный на напряжение не ниже 10 В; С2— любой, возможно меньших габаритов.
Резисторы — МЛТ-0,125 и СП-1 (R3), источник питания — батарея 3336. Потребляет
генератор менее .15 мА, поэтому такого источника хватит надолго.
Поскольку деталей в
генераторе немного, нет нужды давать чертеж печатной платы — разработайте ее
самостоятельно. Плату с деталями и источник питания укрепите внутри корпуса
(рис. 99), а на его передней стенке разместите переключатель диапазонов, выключатель
питания, переменный резистор и зажимы.
Следующий этап —
проверка и налаживание генератора с помощью нашего осциллографа. Входной щуп
осциллографа подключите к выводу 8 микросхемы, а «земляной»— к общему проводу
(зажим ХТ2). Осциллограф работает пока в автоматическом режиме (кнопка «АВТ. —
ЖДУЩ.» отжата), синхронизация — внутренняя, вход — открытый (чтобы исключить
искажения сигнала, следующего с низкой частотой). Входным аттенюатором
осциллографа можно установить чувствительность, скажем, 1 В/дел , а переключателями
длительности развертки—длительность 5 мс/дел.
После подачи
питания на генератор и установки переключателя SA1 в показанное на схеме положение, на экране осциллографа появится изображение
в виде двух параллельных линий (рис. 100, а), составленных перемещающимися
«штрихами». Так выглядит несинхронизированное изображение импульсного сигнала.
Достаточно теперь
перевести осциллограф в ждущий режим (нажать кнопку «АВТ. — ЖДУЩ.») и
установить синхронизацию от положительного сигнала поворотом ручки «СИНХР. в крайнее по часовой стрелке положение,
чтобы изображение на экране «остановилось» (рис. 100, б). Если изображение немного
подергивается, добейтесь лучшей синхронизации его ручкой регулировки длины
развертки.
Определите
длительность периода повторения импульсов и, если это необходимо установите ее
равной 20 мс подбором резистора R1.
Измерить точно
период при установленной длительности развертки затруднительно, поэтому
воспользуйтесь простым приемом. При данной синхронизации установите длительность
развертки равной 2 мс/дел. На экране должно появиться более растянутое
изображение импульса (рис 100, в), длина вершины которого составит примерно
3,5 деления, т. е. длительность импульса будет равна 7 мс.
Затем при этой же
длительности развертки установите синхронизацию отрицательным сигналом,
повернув ручку «СИНХР.» в крайнее положение против часовой стрелки. На экране увидите изображение
паузы (рис. 100 г), поскольку развертка осциллографа запускается теперь
спадом импульса. Длина линии 6,5 деления, значит, длительность паузы равна 13
мс. Сумма
длительностей импульса и паузы составит значение периода повторения импульсов
(20 мс).
Аналогично
проверьте работу генератора на втором диапазоне, установив подвижный контакт
переключателя в нижнее по схеме положение («2 кГц»). Длительность развертки
осциллографа в этом случае установите равной, например, 0,1 мс/дел. Период
следования импульсов на этом диапазоне должен составить 0,5 мс, что
соответствует частоте повторения 2000 Гц. Подстраивать в генераторе ничего не
нужно, поскольку точность частоты на этом диапазоне особой роли не играет. В
случае же значительного отклонения частоты от указанной ее можно изменить
подбором конденсатора С2.
После этого
переключите входной щуп осциллографа на зажим ХТ1 и проверьте действие
регулятора амплитуды выходного сигнала — перемен-ного резистора R3. Вы наверняка обратите внимание, что при установке движка переменного
резистора в верхнее по схеме положение максимальная амплитуда импульсов будет
несколько меньше, чем на мультивибраторе. Объясняется это действием
эмиттерного повторителя, коэффициент передачи которого меньше единицы из-за
падения части сигнала на эмиттерном переходе транзистора.
Генератор готов,
можно проводить эксперименты. Начнем с проверки действия на импульс простых RC-цепей:
дифференцирующей и интегрирующей. Сначала подключите к выходу генератора дифференцирующую
цепь, составленную из конденсатора и переменного резистора (рис. 101).
Движок
резистора поставьте в нижнее по схеме положение, а на генераторе установите
диапазон «50 Гц» и максимальную амплитуду выходного сигнала. При этом на
экране осциллографа (он работает в ждущем режиме с синхронизацией от
положительного сигнала, длительность развертки — 5 мс/'дел., чувствительность—
1 В, дел.) увидите изображение импульсов со скошенной вершиной (рис. 102, а).
Нетрудно заметить, что импульс как бы опустился по линии спада, из-за чего
увеличился размах изображения.
Искажения импульса
будут расти, а размах изображения увеличиваться при перемещении движка
переменного резистора вверх по схеме. Уже при сопротивлении резистора около 4
кОм размах практически достигнет удвоенной амплитуды импульса (рис. 102, б), а при
дальнейшем уменьшении сопротивления (до 1 кОм) от импульса останутся лишь
остроконечные пики на месте фронта и спада. Иначе говоря, в результате
дифференцирования из прямоугольного импульса удастся получить два
остроконечных— положительный (по фронту) и отрицательный (по спаду).
Кроме того,
дифференцирование позволяет «укоротить» импульс по времени — ведь
длительность импульса измеряют по уровню 0,5 его амплитуды, а на этом уровне
ширина импульса плавно изменяется при повороте ручки переменного резистора).
Дифференцирующие
свойства цепи зависят от частоты повторения импульсов. Достаточно переставить
переключатель диапазона генератора в положение «2 кГц» — и скос вершины
практически пропадет. Импульсы, следующие с такой частотой, наша дифференцирующая
цепочка пропускает практически без искажений. Чтобы получить тот же эффект,
что и в предыдущем случае, емкость конденсатора должна быть уменьшена до 0,01
мкФ.
А теперь поменяйте
детали местами (рис. 103) — получится интегрирующая цепочка. Поставьте движок
переменного резистора в крайнее левое по схеме положение, т. е. выведите
сопротивление резистора. Изображение сигнала останется практически таким же,
что и на выходе генератора до подключения цепочки. Правда, спад импульсов станет слегка изогнутым —
результат разрядки конденсатора, успевающего зарядиться во время импульса.
Начинайте плавно
перемещать движок резистора вправо по схеме, т. е. вводить сопротивление
резистора. Сразу же фронт импульса и спад начнут скругляться (рис. 104, а), амплитуда
сигнала падать. При максимальном сопротивлении резистора наблюдаемый сигнал
станет походить на пилообразный (рис 104, б).
В чем суть
интегрирования? С момента появления фронта импульса конденсатор начинает
заряжаться, а по окончании импульса — разряжаться. Если сопротивление резистора
или емкость конденсатора малы, конденсатор успевает зарядиться до амплитудного
значения сигнала и тогда «заваливается» лишь фронт и часть вершины импульса
(рис. 104, а). В этом случае можно сказать, что постоянная времени интегрирующей
цепи (произведение емкости на сопротивление) меньше длительности импульса.
Если же постоянная времени соизмерима или превышает длительность импульса,
конденсатор не успевает зарядиться полностью во время импульса и тогда
амплитуда сигнала на нем падает (рис 104, б). Конечно, характер интегрирования
зависит не только от длительности импульсов, но и частоты их повторения.
Чтобы убедиться в
сказанном, вновь выведите сопротивление резистора, установите на генераторе
диапазон«2 кГц»» и соответственно измените
длительность развертки осциллографа. Не экране предстанет картина уже проинтегрированных
импульсов (рис. 104, в). Это результат «взаимодействия»» сопротивления эмиттерного повторителя
и емкости конденсатора. Введите хотя бы небольшое сопротивление переменным резистором
— и вы увидите на экране осциллографа сигнал треугольной формы (рис. 104, г).
Амплитуда его мала, поэтому придется увеличить чувствительность осциллографа.
Не правда ли, отчетливо видна линейность процесса зарядки и разрядки конденсатора?
В этом примере
постоянная времени интегрирующей цепи намного превышает длительность импульса,
поэтому конденсатор успевает заряжаться лишь до весьма малого напряжения.
Пришло время
поговорить о практическом использовании прямоугольных импульсов, например, для
оценки работы усилителя звуковой частоты. Правда, подобный способ пригоден для
своеобразного экспресс-анализа и не дает всеобъемлющей картины амплитудно-частотной
характеристики усилителя. Но он позволяет объективно оценивать способность
усилителя пропускать сигналы тех или иных частот, устойчивость к самовозбуждению,
а также правильность выбора деталей междукаскадных связей.
Принцип проверки
прост: на вход усилителя подают сначала прямоугольные импульсы с частотой
следования 50 Гц, а затем — 2000 Гц, а на эквиваленте нагрузки наблюдают форму
выходного сигнала. По искажениям фронта, вершины или спада судят о характеристике
усилителя и его устойчивости работы.
(Продолжение следует)
Б. ИВАНОВ
г. Москва