Формирующие цепи

При генерации импульсных сигналов различной формы необходимо формирование временных интервалов, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью формирующих цепей содержащих реактивные элементы. Наиболее простыми и надежными являются RC-цепи. Как правило, они применяются в качестве разделительных, дифференцирующих или интегрирующих цепей.

Схема разделительной цепи приведена на рис. 16.1а. Временные диаграммы напряжений в схеме приведены на рис 16.1б. При анализе процесса формирования напряжения на выходе RC- цепи будем полагать, что внутреннее сопротивление источника входного напряжения равно нулю, а сопротивление нагрузки - бесконечно большое. Емкость С не пропускает на выход постоянную составляющую источника питания. Поэтому цепь названа разделительной.

Пусть в момент t=0 на вход цепи (зажимы 1 -1^') поступает прямоугольный импульс амплитудой U_m и длительностью t_u. В начальный момент времени конденсатор С разряжен и ток в RC - цепи определяется только амплитудой импульса U_m и сопротивлением R. Поэтому на зажимах 2 - 2^' создается напряжение равное максимальному . По мере заряда конденсатора С ток в цепи, а значит и напряжение на выходе будет экспоненциально убывать:

, (16.1)

где t_ц = R × C [с] - постоянная цепи.

К моменту окончания импульса (когда t = t_u) выходное напряжение упадет до U_вых(t_u), причем

. (16.2)

После окончания импульса напряжение на входе цепи U_вх= 0. Поэтому конденсатор С начинает разряжаться через источник U_вх и резистор R. Ток разряда создает на выходе цепи отрицательный перепад напряжения, причем:

где

. (16.3)

Разделительная цепь должна передавать импульс от входа к выходу с возможно меньшими искажениями его формы. Искажение формы оценивают максимальным относительным снижением вершины выходного импульса.

.

Из выражения (16.3) следует, что D U тем меньше, чем больше U_вых(t_u), а U_вых(t_и) тем больше, чем меньше отношение t_u/t_ц (см рис.16.2). Если требуется чтобы максимальное относительное снижение вершины импульса не превышало 1%, то постоянная времени цепи t_ц должна превышать длительность импульса t_u не менее чем в 100 раз.

Схема дифференцирующей цепи такая же, как и схема разделительной цепи. Но дифференцирующая цепь предназначена для укорочения импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача решается тем лучше, чем больше отношение t_u/t_ц. Реально оно находится в пределах от 10 до 100. Выходное напряжение представляет два биполярных импульса совпадающих по времени с фронтом и срезом входного импульса (рис. 16.1б). Амплитуда биполярных импульсов затухает экспоненциально в соответствии с (16.1). Длительность этих импульсов на уровне 0,05 U_m. t_вых » 3 t_ц. Подбором t_ц ее можно сделать сколь угодно малой.

Схема интегрирующей цепи приведена на рис. 16.2а. На рис. 16.2б приведены диаграммы напряжений на входе и выходе цепи. При поступлении на вход такой цепи (зажимы 1 - 1^') прямоугольного импульса напряжения выходной сигнал нарастает по экспоненте

. (16.4)

Время необходимое для нарастания выходного сигнала до уровня 0,9U_m, составляет 2,3 t_ц, а до уровня 0,99 U_m - 4,6 t_ц.

Срез убывает по экспоненциальному закону:

,

где

.

На начальном участке выходное напряжение изменяется по закону, близкому к линейному. Этот участок часто используется для линейного накопления напряжения сигнала. Поэтому рассматриваемая цепь получила название интегрирующей. Чтобы цепь работала как интегрирующая, отношение t_u/t_ц должно быть значительно меньше единицы.