Література. Тема 17 . Електронні генератори та вимірювальні прилади

Тема 17. Електронні генератори та вимірювальні прилади

Мета: ознайомити студентів з електронними генераторами та пояснити суть коливального контуру.

 

Актуальність: знання електронних приладів необхідне для роботи з електронними вимірювальними прилади.

 

Міжпредметна інтеграція: хімія, фізика, математика

 

План

1.Загальне поняття про електронні генератори.

2.Коливальний контур.

3. Генератори типу RC та LC.

 

Після вивчення теми студент повинен знати:

- високочастотні та низькочастотні генератори

- коливальний контур

- генератори типу RC

- генератори типу LC

- коливальний контур

 

Ключові терміни та поняття:

- індуктивність;

- ємність;

- навантаження;

- коливальний контур;

Самостійна робота студента:

 

1. Тригери.

2. Електронний вольтметр, його основні вузли.

Література

1. Колонтаєвський Ю.П, Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемо техніка: теорія і практикум – К.: Каравела,2004

2. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. Підручник.- Львів:Афіша,2001.-424

-1-

Електронні генератори – це автоколивальні системи, в яких енергія джерела живлення постійного струму перетворюється в енергію незатухаючих електричних сигналів змінного струму потрібної форми, частоти і потужності.

В залежності від форми коливань розрізняють автогенератори синусоїдальних і імпульсних коливань. Автогенератори (генератори з самозбудженням) використовуються в якості збудників коливань потрібної частоти, тобто задаючих генераторів.Отримані від них коливання поступають в наступні каскади з метою підсилення або множенням частоти. Вони знайшли широке застосування в радіо передаючих,в ЕОМ, у вимірювальній техніці, в автоматиці і телемеханіці. Будь-який підсилювач може бути перетворений в автогенератор, якщо йому забезпечити необхідні умови.

Генератори сигналів можуть класифікуватися:

1) за формою генерованих сигналів:

- генератори гармонійних коливань;

- генератори негармонійних коливань (пилкоподібних,прямокутних та ін..)

 

2) за спобом збудження:

- генератори з незалежним або зовнішнім збудженням;

- генератори із самозбудженням (автогенератори);

 

3) за видом зворотнього зв’язку:

- RC-генератори;

- LC-генератори;

- RL-генератори;

- RLM-генератори;

 

4) за генерованою частотою:

- низькочастотні (до 100 кГц);

-високочастотні (0,1 …..100МГц);

-надвисокочастотні (більше 100МГц).

Високочастотні автогенератори, які працюють в діапазоні частот від 100Гц до 100МГц, виконані на основі резонансного підсилювача, часто називають генератором LC-типу.

Низькочастотні автогенератори, які працюють в діапазоні частот від 0,01Гц до 100кГц, виконані на основі схеми підсилювача на резисторах, називають генераторами RC-типу.

В якості підсилювальних елементів схем автогенераторів частіше всього використовують транзистори або мікросхеми. Для контролю, налаштування і регулювання електронних пристроїв використовують вимірювальні прилади.

-2-

В елетроній апаратурі часто виникає необхідність використання коливальних контурів.

Коливальним контуром називається замкнуте електричне коло, яке складається з індуктивності і ємності. Контур є ідеальним, якщо в ньому відсутні втрати енергії, але у реальному контурі крім індуктивності і ємності є активний опір, який розподілений в котушці індуктивності і частково в з"єднувальних проводах і діелектрику конденсатора. Наявність активного опору викликає втрати енергії в контурі.

Вільними коливання в контурі називають коливання, які виникають в ньому за рахунок енергії першочергово накопиченої в електричному полі конденсатора або в магнітному полі котушки. В ідеальному контурі коливаня є незатухаючими, тобто вони можуть тривати невизначено довгий час.

Коливальний контур, близький по своїх властивостях до ідеального, можна отримати, якщо замкнути ключ К (рис. 10). Якщо перемикач поставити в положення 1,то конденсатор С зарядиться від джерела живлення до напруги Е₀.

При переводі перемикача в положення 2 конденсатор С почне розряджатися через котушку L.По мірі розряки конденсатора струм збільшується і енергія переходять в енергію магнітного поля котушки. Коли конденсатор повністю розряджається, напруга на його обкладках зникає, в цей час струм в контурі максимальний. Так як тепер відсутня сила, що підтримує струм в контурі, то він починає зменшуватися. При цьому збільшується ЕРС самоіндукції зворотної полярності і конденсатор заряджається з новою полярністю. Роль джерела в цей час виконує котушка. По мірі зарядки конденсатора напруга на його обкладках зростає, а струм в контурі падає.Після закінчення зарядки конденсатор починає розряджатися через котушку, і процес повторюється. На рис 2 показані графіки зміни напруги і струму в ідеальному контурі.

Кутова частота вільних коливань контура залежить від його параметрів:

Хвильовий опір контуру визначається за формулою:

Індуктивний опір котушки і ємнісний опір конденсатор при вільних коливаннях рівне хвильовому опору контуру x_c=x_L= .

 

 

Частота вільних коливань f₀=

Довжина хвилі, яка відповідає частоті вільних коливань, .

Якщо ключ К розімкнути, то в контурі появляться активні втрати. В цьому випадку коливання вконтурі будуть затухаючими (рис. 1, в). На протязі кожного періоду коливань частина збереженої енергії буде безповоротно втрачатися в активному опорі контура. Чим більший активний опір, тим швидше зменшується амплітуда струму і напруги.

Для оцінки якості коливального контуру вводиться поняття добротності контуру (добротність дорівнює відношенню хвильового опору р до активного опору контуру)

Величина, зворотна добротності, називається затуханням контуру:

Чим більша добротність, тим довше існують вільні коливання і тим вище якість контуру.

Коливальні контури є основними вузлами радіоприймальної, радиопередающей і телевізійної апаратури, використовуються у вимірювальних генераторах і т. п.

-3-

Будь-який автогенератор LС-типу складається з коливального контуру, в якому виникають незатухаючі коливання потрібної частоти; джерела електричної енергії, за рахунок якого в контурі підтримуються незгасаючі коливання; транзистора, за допомогою якого регулюється подача енергії від джерела в контур; елемента зворотного зв'язку, що забезпечує передачу змінної напруги необхідної величини з вихідного кола у вхідне для підтримки незатухаючих коливань в коливальному контурі.

Найпростіша схема автогенератора LC-типу на транзисторі наведена на рис1

Така схема називається генератором з трансформаторной зв'язком. Коливальний контур складається з індуктивної котушки L і конденсатора С Джерелом енергії є джерело постійного напруги Ек, яке віддає частину енергії в коливаний контур в моменти, коли в його зовнішньому колі, що складається з коливального контуру і паралельно з’єднаного з ним транзистора, проходить струм. Регулятором служить транзистор, колом зворотнього зв'язку – котушка, індуктивно зв'язана з коливальним контуром.

При включенні джерела живлення в колекторне коло транзистора виникає струм колектора, який заряджає конденсатор коливального контуру. Після заряду конденсатор розряджається на котушку Lк. В результаті в LC-контурі виникають вільні коливання, які індукують в котушці зв'язку Lб змінну напругу тієї ж частоти, з якою відбуваються коливання в контурі. Ця напруга викликає пульсацію струму колектора. Змінна складова цього струму заповнює втрати енергії в контурі, створюючи, в ньому посилену транзистором змінну напругу. Підвищення напруги на контурі приводить до нового наростання напруги на котушці зворотнього зв'язку L6, яке викличе зростання амплітуди змінної складової колекторного струму, і т. д. У сталому режимі зростання струму в контурі обмежується опором втрат, а також згасанням, внесеним в контур за рахунок проходження струму по обмотці зворотного зв'язку

Елементи схеми Rб, С6, R_e, Се призначені для забезпечення необхідного режиму роботи по постійного струму і його термостабілізації. Дросель L_бр є перешкодою для змінної складової колекторного струму, а конденсатор Ср - для його постійної складової.

Незгасаючі коливання в контурі автогенератора встановляться лише при виконанні двох основних умов. Першу з цих умов називають умовою балансу фаз, яка зводиться до того, що в схемі генератора повинна бути встановлений додатній зворотній зв'язок між вихідним і вхідним колами транзистора. У цьому режимі забезпечується заповнення втрат енергії в контурі. Практично фазова умова задовольняється, якщо напруги на колекторі і базі будуть зміщені на 180 °, тобто знаходиться в протифазі, а це досягається відповід ним ввімкненням котушок Ск і Lк. При відсутності самозбудження необхідно переключити кінці котушки Lб. Друга умова називають умовою балансу амплітуд, яке полягає в тому, що для виникнення автоколивального режиму необхідний позитивний зворотній зв'язок з виходу підсилювального елемента на його вхід, причому затухання в контурі повинно компенсуватися.

Рис. 3 Схема з трансформаторним індуктивним зв’язком і схема з ємнісним зв’язком

Практично глибина додатнього зворотнього зв’язку повинна бути такою, щоб повністю компенсувалися втрати енергії в контурі.

У цих схемах коливальний контур підключений до електродів транзистора трьома точками: емітер, колектор, база. Елементи контура до електродів транзистора повинні подключатися так, щоб виконувалася фазова умова самозбудження генератора. В автотрансформаторній схемі з індуктивним зв’язком (рис.3, а) напруга знімається з частини витків L6 контурної котушки, які укладені між емітером і базою транзистора, і через конденсатор С1 подається в базу.

Амплітудна умова самозбудження виконується підбором значення числа витків котушки зв'язку.

В схемі з ємнісним зворотнім зв’язком (рис.3, б) резонансний коливальний контур утворений: конденсаторами С1, С2 і котушкою Lк. Напруга зворотнього зв’язку знімається з конденсатора С2. Фазова умова самозбудження в схемі задовольняється, оскільки миттєві значення напруг на конденсаторах протилежні. Умови балансу амплітуд забезпечуються вибором ємності конденсатора С2. При її збільшенні зворотній зв’язок зменшується.

Генератори типу- RC

В даний час для вирішення низки завдань потрібні низькочастотні автогенератори синусоїдальних коливань, що працюють в діапазоні частот від долі герца до сотень кілогерц. Генерація таких коливань за допомогою RС-генераторів пов'язана з великими конструктивними труднощами.

В цій схемі використовується звичайний резистивний підсилювач. Для самозбудження підсилювача його необхідно охопити позитивним зворотним зв'язком, тобто на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, що перевищує вхідний або рівну їй по величині і збігається з ним по фазі.

Рис. 3.1 - Принципова схема генератора з послідовно-паралельної RC-коло

Регулювання частоти в цьому генераторі здійснюється одночасною зміною опорів R або ємностей С. Для стабілізації амплітуди генерованих коливань як опір R1 застосовують терморезистор з позитивним температурним коефіцієнтом. Якщо при цьому амплітуда вихідного сигналу зросте вище встановленого рівня, то збільшений сигнал на виході генератора приведе до збільшення напруги та струму (тобто потужності) на R1. При нагріванні R1 його опір зросте й коефіцієнт підсилення по неінвертуючий вхід зменшиться (тобто зменшиться нахил амплітудної характеристики підсилювача по неінвертуючий вхід). Це призведе до зменшення амплітуди автоколивань на виході. Якщо ж амплітуда автоколивань зменшиться, то потужність виділяється на R1 зменшиться. Його температура також зменшиться, що викличе зменшення його температури. Коефіцієнт підсилення зросте, збільшиться нахил характеристики, точка перетину характеристик зміститься вгору й забезпечить більшу амплітуду. В якості такого терморезистора можна використовувати малопотужну лампу розжарювання.

Існує безліч стабілізаторів амплітуди коливань. Так, наприклад, послідовно з R2 включають двосторонній стабілітрон, який працює як на позитивній, так і на негативній полуволне (рис. 3.1-а.). При цьому, поки амплітуда вихідного сигналу недостігла напруги стабілізації, Еквівалентний опір R2 і велике. Тому великий і коефіцієнт підсилення. Це призводить до зростання амплітуди вихідної напруги. При досягненні напруги стабілізації відбувається пробій стабілітрона, еквівалентний опір кола зворотнього зв’язку зменшується до виконання умови балансу амплітуд і вихідна напруга стабілізується на цьому рівні. C допомогою стабілітронів можна штучно

Рис. 3.1-а - Принципова схема генератора з послідовно-паралельної RC-кола зворотнього підсилення

формувати вихідну характеристику генератора, створюючи за допомогою R2 і VС ділянку насичення на амплітудної характеристиці, відповідний напрузі.

Використання кварцових резонаторів дозволяє значно знизити відносну зміну частоти генераторів. Однак, у кварцових генераторів утруднено оперативну зміну частоти вихідного сигналу. На відміну від аналогових, цифрові генератори володіють високою стабільністю, надійністю, можливістю зміни частоти генерується сигналу в широких межах і універсальністю.

Бурхливий розвиток цифрової електронної техніки дозволяє у все більшій кількості випадків формування аналогових сигналів використовувати цифрові методи. Так як цифрові генератори аналогових сигналів мають ряд переваг:

- універсальність, оскільки вони дозволяють генерувати аналоговий сигнал з довільною, заданої користувачем, формою;

- відсутність обмеження по мінімальній частоті;

- висока стабільність параметрів вихідного сигналу та інші.

Цифрові генератори мають універсальністю, точністю і зручністю налаштування. Тому вони отримують все більше поширення як вузли електронної апаратури, тат і як самостійні пристрої застосовуються при вимірах і налагодженні систем, що працюють зі складними сигналами.

Аналогові генератори використовуються в тих випадках, коли немає високих вимог до параметрів генератора, або важлива простота і мінімальна вартість.

 

ное число звеньев фазовращающей цепочки равно трем. Для того чтобы частота генерируемых колеба­ний зависела, главным образом, от параметров фазо-вращающей цепочки, а амплитуда колебаний остава­лась бы стабильной в заданном диапазоне частот, уси­литель должен обладать большим коэффициентом уси­ления по току, значительным входным' сопротивлени­ем и относительно малым выходным сопротивлением. На рис. 6.5 изображена простейшая схема генера­тора.КС-типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой. Работа автогенератора начинается с момента подави на него напряжения Е_к. Делитель напряжения Я], К2 обеспечивает открытие транзистора УТ. При этом возникает импульс коллекторного тока, кото­рый содержит широкий спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генера­ции. Генерирование незатухающих колебаний требуе­мой частоты осуществляется за счет обеспечения фазовых и амплитудных условий самовозбуждения. Обеспечение фазовых условий достигается с помо­щью подбора соотношений между резисторами и конденсаторами. В результате получается фазовый сдвиг в 180° между напряжениями на коллекторе и базе. Для выполнения амплитудного условия коэффи­циент обратной связи должен быть равен

где Н_21э — коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

§ 6.4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЯС-ЦЕГО1Х
Если конденсатор, включенный в электрическую
цепь (рис. 6.6, а), предварительно не был заряжен, то
при переходе переключателя 5 в положение 1
начнется процесс зарядки, т. е. нарастание напряже-
180

ния II_с. на обкладках конденсатора. Рост 11_с во времени происходит по уравнению

где Е₀ — напряжение источника. Ток в цепи

Из полученных выражений следует, что во время зарядки конденсатора напряжение на его обкладках возрастает, а ток з цепи уменьшается. Произведение КС, имеющее размерность времени (с), определяет скорость изменения величин 11_с, и г, называется постоянной времени цепи и обозначается т_с.

За время (, равное постоянной времени т_с, напряжение зарядки конденсатора

На практике обычно считают, что процесс зарядки заканчивается, когда напряжение на конденсаторе до­стигает 95% конечного значения, т. е. 1 = Ъх_с. Кривые зарядки конденсатора приведены на рис. 6.6, б.

Если после полной зарядки конденсатора пе­реключатель перевести в положение 2, то через

время ( после начала разряда напряжение [/_с = = Е₀е~^1/кс, а ток в цепи разряда г = — = -- е ~^!/кс = = /₀е-"^кс.

 

Рис 6.6

 

Напряжение на конден­саторе и ток в цепи убы­вают по экспоненциаль­ному закону (рис. 6.6, в). Скорость изменения ве­личин II_с и при раз­ряде зависит от постоян­ной времени %у. Процесс разряда принято считать законченным,' когда на­пряжение на конденсате-

ре уменьшается до 5% от. значения Е₀, т. е. за время

§ 6.5. ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Импульсными генераторами называют электрон­ные)¹ устройства, преобразующие энергию источ­ников постоянного напряжения в энергию элек­трических импульсов. Одним из наиболее распро­страненных импульсных генераторов является муль­тивибратор. Мультивибратором называют автоге­нератор прямоугольных импульсов, представляю­щий собой двухкаскадкый резистивный усилитель со 100%-ной положительной обратной связью.

Одна из типичных схем симметричного мульти­вибратора на транзисторах с коллекторно-базовыми связями приведена на рис. 6.7, а.

Если транзисторы, конденсаторы и резисторы в обоих плечах одинаковы; то мультивибратор назы­вают симметричным.

Для мультивибратора симметричность означа­ет однотипность транзисторов УТ1 и УТ2 и ра­венство С1 = С2, К_к1 = К_к2 ну'Я_б1=К₅₂. В первый момент после подключения источника питания Е_к через транзисторы будут протекать равные по ве­личине токи. Однако такое состояние схемы не­устойчивое. В результате нестабильности источ­ника питания или из-за неодинаковости параме­тров транзисторов симметрия схемы будет нару-

Рис, 6.7

шаться и один из коллекторных токов окажется несколько большим. Допустим, что несколько боль­шим окажется коллекторный ток транзистора УТ2. При этом увеличится падение напряжения на ре­зисторе К_%2, и коллектор транзистора УТ по­лучит приращение положительного потенциала. По­скольку напряжение на конденсаторе С2 не мо­жет мгновенно измениться, это приращение при­кладывается к базе транзистора УТ1, подзапирая его. Коллекторный ток 1_к1 при этом умень­шается, напряжение на коллекторе транзистора УТ1 становится более отрицательным и перепад напря­жения, передаваясь через конденсатор С1 на ба­зу транзистора УТ2, еще более открывает его, увеличивая ток /_к2. Этот процесс протекает ла­винообразно и заканчивается тем, что транзистор УТ2 входит в режим насыщения, а транзистор ^: УТ1 —з режим отсечки. В это время конденсатор С1 начинает заряжаться по цепи: +Е_К, участок эмит­тер— база открытого транзистора УТ2, С1, К_к1, — Е_к. В то же время конденсатор С2 разряжается через открывшийся. транзистор УТ2, источник питания и резистор К_б1.'

По мере разряда конденсатора С2 положительный запирающий потенциал базы транзистора УТ1 умень­шается, транзистор УТ1 открывается и появляется коллекторный ток 1_гЛ. Проходя но резистору 1<_к1, он вызывает повышение потенциала коллектора транзи­стора КГ/, а через конденсатор С1 — повышение потенциала базы транзистора УТ2 и его запирание. Вследствие этого потенциал коллектора транзистора УТ2 понижается. Это вызывает еще большее откры­вание транзистора УТ1. Процесс развивается лавино­образно, и схема переходит в новое, временно устойчивое состояние.

Таким образом, транзисторы в мультивибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки или в режиме насыщения и с каждого коллектора можно сиять прямоугольные импульсы с амплитудой, почти равной величине источника питания.

На рис. 6.7,6 приведены временные диаграммы токов, ' протекающих в коллекторных цепях транзисторов, и напряжений на коллекторах и базах транзисторов. Диаграммы помогают понять принцип действия схемы. Исходный момент времени !₀ соот-

ветствует тому случаю, когда транзистор УТ1 заперт, а УТ2 открыт. Моменты времени (_х, /₂, /₃ соответст­вуют переключению схемы.

Условимся длительностью импульса мультивибра­тора считать время запертого состояния транзистора УТ2, длительности импульсов мультивибратора опре­деляются из выражений: т_и1 хО,7К₆₁ С2 и х_и2~ &0,7К₆₂С1. 'Период колебаний мультивибратора

Для симметричного мультивибратора К₆₁. =К_б2 = Я₆ и С1 = С2 = С, поэтому Т=1,4К₅С.

Неотъемлемой частью многих автоматических устройств и электронных вычислительных машин являются устройства переключающего вида.

Наиболее распространенной схемой переключаю­щего устройства является схема триггера. Триггером называют устройство, имеющее два устойчивых сос­тояния равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего (запускающего) сигнала. Схема симметрич­ного триггера с независимым смещением представле­на на рис. 6.8, а.

В этой схеме оба транзистора работают в ключевых режимах. Открытое состояние одного тран­зистора, например УТ1, обусловливает закрытое состояние другого, и наоборот.

Рассмотрим работу триггера. При подаче напря­жения Е_к оба транзистора частично откроются, так как на их базы через резисторы ^_к1, К_гЛ и К1, Е2 подаются одновременно отрицательные потенциалы.

Рис. 6.8 184

Пусть коллекторный ток транзистора УТ1 получит хотя бы небольшое приращение по сравнению с коллекторным током транзистора УТ2 (это может быть из-за несимметрии схемы ввиду неодинаковости параметров ее элементов — транзисторов и резисто­ров). Тогда увеличится падение напряжения на К_к1 и соответственно повысится потенциал,- коллектора транзистора УТ1, который через делитель К1 и К₅₂ передастся на базу транзистора УТ2 и приведет к уменьшению его коллекторного тока. Уменьшение этого тока, в свою очередь, приведет к возрастанию потенциала коллектора транзистора УТ2, т. е. потен­циала базы транзистора УТ1 (через делитель К2 и К₆₁). Следовательно, ток транзистора УТ1 еще более увеличится. Процесс нарастания тока в УТ1 и его уменьшения в УТ2 происходит лавинообразно в очень короткий промежуток времени. В результате один транзистор (УТ2) будет заперт, другой (УТ1) открыт и насыщен. Это состояние схемы устойчиво, если обеспечено надежное запирание закрытого тран­зистора от независимого (отдельного) источника смещения Е₆. Для перевода схемы в другое устойчи­вое состояние необходимо подвести к входу одного из транзисторов запускающий импульс — к входу открытого транзистора следует подвести импульс положительной полярности, а к входу закрытого транзистора — импульс отрицательной полярности.

В рассматриваемой схеме применен раздельный запуск транзисторов через диоды УД1 и УД2 положи­тельными импульсами. С приходом положительного импульса на первый вход транзистор УТ1 запирается,.вследствие чего потенциал на коллекторе понизится, приближаясь к — Е_к.

Этот отрицательный скачок напряжения через делитель К1, М.₃₂ передается на базу транзистора УТ2 а отпирает его.. С отпиранием транзистора УТ2 в его коллекторной цени появится ток, который создаст па­дение" напряжения на нагрузке К,_л, Потенциал коллек­тора при этом возрастет, приближаясь к нулю. В этом устойчивом состоянии схема пребывает до поступ­ления нового пускового импульса положительной по­лярности на базу транзистора 1/72, который возвра­щает триггер в исходное устойчивое состояние. По­следовательность перехода триггера из одного устой­чивого состояния в другое иллюстрируется рис. 6.8.

Конденсаторы С1 и С2 включены для ускорения процесса переброса схемы из одного устойчивого состояния в другое. Они обеспечивают бросок тока в начале импульса, благодаря которому изменение напряжения на коллекторе одного транзистора пере­дается на базу другого. Конденсаторы СУ и С2 называются ускоряющими.

Различают два вида запуска триггера: раздельный и счетный (общий). Примером раздельного запуска служит рассмотренная схема триггера (см. рис. 6.8).

Счетный запуск осуществляется импульсами одной полярности, каждый из которых одновременно пода­ется на входы обоих плеч триггера.

Триггеры широко используются в качестве форми­рователей прямоугольных импульсов, электронных реле, элементов счетных схем и т. д., а также для автоматической отбраковки изделий, где триггер работает как сравнивающее устройство.

Контролируемый параметр (масса, размер, объем и др.) преобразуется в электрическое напряжение, которое подается на вход триггера. При превышении контролируемым параметром определенного уровня происходит переключение триггера, включается инди­каторная лампа, указывающая на брак, или автомат, направляющий изделие в бункер брака.

Кроме импульсных генераторов прямоугольной формы в электронных схемах находят широкое распространение генераторы пилообразного напряже­ния (ГПН). Пилообразным называется напряжение, которое сравнительно медленно нарастает по линей­ному закону и затем быстро уменьшается до первона­чального значения. Пилообразное напряжение полу­чают.при заряде конденсатора. Простейшая схема генератора пилообразного напряжения показана на рис. 6.9, а.

В исходном состоянии, когда входной сигнал отсутствует, транзистор УТ находится в режиме насыщения. Напряжение на конденсаторе С равно напряжению между коллектором и эмиттером насы­щенного транзистора. С поступлением на вход генератора импульса напряжения прямоугольной формы отрицательной полярности транзистор закры­вается и конденсатор С начинает заряжаться от источника коллекторного питания через зарядный резистор /?_к. После прекращения действия входного

186 '

Рис. 6.9

импульса транзистор УТ открывается и происходит относительно быстрый разряд конденсатора С через транзистор. Длительность пилообразного импульса равна длительности входного прямоугольного им­пульса (рис. 6.9, б), а длительность обратного хода — времени/ разряда конденсатора через транзистор.

ГПН применяются для получения развертки элект­ронного луча в электронно-лучевых трубках осциллографических, телевизионных и радиолокационных устройств, а также в устройствах формирования временной задержки и во многих других областях.

§ 6.6. ЭЛЕКТРОННЫЕ СТРЕЛОЧНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

' При измерении постоянных и переменных напря­жений наибольшее распространение получили электронные вольтметры.

Это объясняется тем, что такие вольтметры обладают рядом преимуществ по сравнению с прибо­рами других систем: имеют большое входное сопро­тивление, высокую чувствительность при использова­нии усилителя, потребляют мало энергии из измеряе­мой цепи и не боятся перегрузки.

Электронные вольтметры для измерения постоян­ного напряжения представляют собой сочетание изме­рительного механизма магнитоэлектрической систе­мы и электронной схемы.

Рассмотрим работу электронного вольтметра по­стоянного' тока" В2-15, который выпускает наша промышленность. На рис. 6.10 представлена струк­турная схема этого вольтметра: 1 —входной экрани­рованный кабель, 2 —делитель напряжения, 3— пре-

Рис. 6.10

образователь постоянного напряжения в переменное (модулятор), 4 — усилитель переменного тока, 5 — синхронизированный преобразователь переменного напряжения в постоянное, 6 — змиттерный повтори­тель, 7 — экранированный выходной кабель и зажим выходного постоянного напряжения, 3 — стрелочный индикатор, 9 — цепь отрицательной обратной связи, 10 — генератор прямоугольных импульсов.

Входной и, выходной кабели заключены в экран­ную оболочку для того, чтобы предохранить их от воздействия внешних электромагнитных полей, наво­дящих посторонние ЭДС, уровень которых часто соизмерим с измеряемым сигналом или даже больше него.

Высокоомный делитель напряжения 2 служит для расширения пределов измерения.

УПТ с преобразованием применяется для обеспе­чения более высокого коэффициента усиления, а следовательно, для повышения чувствительности вольтметра.

.. В качестве стрелочного индикатора применяется, как правило, магнитоэлектрический микроамперметр. Милливольтметр В2-15 имеет диапазон измеряемых напряжений от 0,5 мкВ до 1 В с переключением на 16 пределов; входное сопротивление не менее 0,3 МОм; питание от сети 220 В, ' 50 Гц.

Вольтметры переменного тока предназначаются для измерения напряжений синусоидальной формы. Они строятся по принципу преобразования измеряе­мого переменного напряжения в пропорциональное постоянное, которое отсчитывается по стрелочному индикатору.

Большое разнообразие принципиальных схем вольтметров переменного тока сводится в основном к

 

Рис. 6.11

двум структурным схемам. Первая схема типа детек­тор— усилитель представлена, на рис. 6.11, а. Как
видно, она состоит из входного устройства в
виде коаксиального кабеля, детектора, который пре­образует переменное напряжение в постоянное, уси­лителя постоянного тока и стрелочного индика­тора.

Вольтметры этой группы характеризуются широ­ким частотным диапазоном, но недостаточно высо­кой чувствительностью. Например, прибор Ф5053 при измерении переменных напряжений имеет минималь­ную шкалу и частотный диапазон от 20 Гц до 700 МГц.

В схеме вольтметров данной группы используется усилитель постоянного тока, поэтому такими прибо­рами можно измерять и постоянные напряжения.

Вторая структурная схема типа усилитель — детек­тор представлена на рис. 6.11,6. В этой схеме сигнал с входного устройства поступает сначала на усили­тель переменного напряжения, затем на детектор и стрелочный индикатор.

Вольтметры второй группы характеризуются бо­лее высокой чувствительностью, но сравнительно узким частотным диапазоном (до 30 МГц). Напри­мер, электронный вольтметр ВЗ-6 имеет пределы измерения напряжений 0,15 мВ — 200 В в диапазоне частот 5 Гц—1 МГц.

Устройство электронного' цифрового вольтметра. Последние годы в технику электронных измерений все более интенсивно внедряются цифровые измери­тельные приборы. Их преимущества: высокая точ­ность измерений, широкий диапазон измеряемых величин, представление результатов измерений в цифровой форме и прямой ввод результатов измере­ний в цифровую ЭВМ. Кроме того, цифровые измерительные приборы удобны в обращении, позво­ляют проводить измерения быстро, точно и без субъективных погрешностей.

Недостатками цифровых приборов являются их сложность и высокая стоимость.

Примером применения цифровых приборов могут служить электронные цифровые вольтметры. В циф­ровых вольтметрах измеряемое напряжение отсчитывается по цифровому индикатору в виде числа из нескольких цифр.

Принцип работы цифровых вольтметров основан на использовании метода сравнения (компарирования) измеряемого постоянного напряжения П_х с известным компенсирующим (опорным) напряже­нием.

Структурная схема электронного цифрового вольтметра с преобразователем напряжение — вре­мя — число, использующим компенсирующее напря­жение; пилообразной формы, изображена на рис. 6.12.

Измеряемое постоянное напряжение [/_х подается на вход сравнивающего устройства (компаратора). При измерении переменного напряжения в блоке преобразователя напряжение предварительно прев­ращают в постоянное, которое также поступает на вход компаратора.

Импульсом с управляющего устройства запускает­ся генератор компенсирующего напряжения, с выхода которого пилообразное напряжение поступает на другой вход компаратора. Этот импульс запуска одновременно определяет передний фронт прямо­угольного импульса на выходе сравнивающего ус­тройства, который открывает электронный ключ, пропускающий импульсы на счетчик. Когда линейно возрастающее пилообразное напряжение достигнет

Рис. 6.12 190

значения, равного измеряемому постоянному напря­жению, компаратор срабатывает, вследствие чего заканчивается прямоугольный импульс на его выходе и электронньн'; ключ закрывается. При линейно изменяющемся компенсирующем; напряженки изме^: ряемое напряжение О_х зависит от длительности импульса (_х на выходе компаратора, т. е. от времени, в течение которого был открыт ключ. При открытом ключе через него проходят импульсы образцовой частоты генератора. Число импульсов, поступивших за время (_% через ключ на электронный счетчик, выдается цифровым индикатором в единицах напря­жения. Помимо измерения напряжений приборы с цифровым отсчетом находят применение для измере­ния частоты, фазовых сдвигов, сопротивления, ем­кости и других параметров электротехнических и электронных цепей.

§ 6.7. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Электронным осциллографом называют прибор, предназначенный для визуального наблюдения, ре­гистрации и измерения параметров электрических сигналов.

Электронный осциллограф I является одним из наиболее распространенных радиоизмерительных приборов, который применяют не только при исследованиях радиоэлектронных схем, но также и в других облает с науки и техники, использующих методы электроники, например в биологии, медицине и т. д. Широкое распространение электронных осцил­лографов обусловлено их универсальностью, нагляд­ностью' изображения исследуемого процесса и хоро­шими измерительными параметрами.

Для того чтобы разобраться в работе электронно­го осциллографа, необходимо прежде всего изучить, работу основного его узла — электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевыми трубками называют элект­ровакуумные приборы, в которых используется элект­ронный поток, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей.

Большинство электронно-лучепых трубок относит­ся к группе электронно-графичес