ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ НА ТРИГГЕРАХ ШМИТТА С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ СКАНИРОВАНИЯ ПО ЧАСТОТЕ
PULSE GENERATOR OF WOBBLE FREQUENCY ON SCHMITT TRIGGERS WITH SWITCHED DIRECTION OF SCANNING BY FREQUENCY

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к импульсным генераторам на триггерах Шмитта, и может быть использовано при тестировании систем, приборов, датчиков и других объектов в устройствах связи, измерительной техники и автоматики, а также в виде отдельных узлов при построении самонастраивающихся систем управления, в биофизических преобразователях информации, выполненных на базе кремниевых чипов и т.д.
Известны схемы генераторов качающейся частоты (ГКЧ) на аналоговых и дискретных элементах, например на операционных усилителях, более того, на их основе серийно выпускаются измерители амплитудно-частотных характеристик активных и пассивных элементов радиоэлектронных устройств.
Однако это довольно громоздкие приборы, которые не могут быть встроены в электронные схемы, а простые малогабаритные ГКЧ на цифровых элементах, способные, например, к интегрированию в чипы датчиков биофизической информации, в настоящее время, вероятно, отсутствуют.
Ближайшими аналогами предлагаемого изобретения являются генераторы прямоугольных импульсов, управляемые напряжением (ГУН), построенные на цифровых микросхемах - триггерах Шмитта [1], и линейный широтно-импульсный преобразователь с линейной характеристикой [2].
В качестве прототипа взят входной блок источника частотно-модулированных звуковых сигналов, приведенный в [1, с.81-82, рис.2.38], электрическая схема которого представлена на фиг.1.
разв
Устройство генерирует прямоугольные импульсы, частота которых периодически меняется в определенном диапазоне, и реализуется на цифровых КМОП триггерах Шмитта. Оно может быть представлено в виде 2-х блоков: блока развертки 1, вырабатывающего изменяющееся во времени (периодически нарастающее и падающее с частотой развертки F) напряжение управления, и блока 2, состоящего из управляемого этим напряжением генератора импульсов (ГУН), вырабатывающего импульсы с частотой F. Таким образом, генератор развертки 1, периодически плавно изменяя напряжение на своем выходе в определенных пределах, задает частотный диапазон сканирования генератора 2.
2
2
2
Генератор развертки 1 в прототипе состоит из неуправляемого генератора прямоугольных импульсов на триггере Шмитта и интегрирующей цепочки R-C, формирующей за счет периодической зарядки и разрядки конденсатора С развертывающее напряжение для управляемого напряжением генератора 2 (ГУН).
разв
1
1
y
1
2
3
Частота развертки F задается значениями цепочки R-C, а частота импульсов на выходе всего устройства F и диапазон сканирования определяются значениями сопротивлений резисторов R, R, и емкости конденсаторов C, С, С.
2
c
c
св
cн
cв
сн
2
разв
2
2
Ширина области изменения напряжения на конденсаторе С, равная ΔU, представляющая собой диапазон изменения управляющего напряжения, определяется как ΔU=U-U, где U - напряжений верхнего и U - нижнего уровней на интегрирующем конденсаторе С, и связана с частотой развертки F и параметрами интегрирующей цепочки R-C соотношением:
п
где U - напряжение питания триггера;
и
γ=Т/Т - коэффициент заполнения потока импульсов с генератора блока1,
и
разв
где Т - длительность импульса, Т - период развертки, Т=1/F;
0
разв
а=ехр{-(F/F)},
0
2
2
где F=1/(RC) - характеристическая частота интегрирующей цепочки.
cв
cн
2
0
разв
На фиг.2 представлены зависимости напряжений верхнего U и нижнего U уровней на интегрирующем конденсаторе С от приведенной к F частоты развертки F.
2
Среднее напряжение на конденсаторе С остается постоянным и определяется соотношением:
При использовании стандартного КМОП триггера Шмитта в схеме генератора развертки у~0,5.
c
2
разв
0
n1
c.1
c max
c min
n2
Как видно из фиг.2, в прототипе при изменении частоты развертки амплитуда развертывающего напряжения ΔU на конденсаторе С также изменяется. Например, при малой частоте развертки F/F= размах управляющего напряжения ΔU=U -U больше, чем при большей частоте, соответствующей большему значению .
разв
0
Таким образом, диапазон изменения выходной частоты F оказывается зависящим от приведенной частоты развертки F/F.
разв
1
1
2
2
При необходимости изменения скорости развертки (частоты развертки F) для сохранения диапазона сканирования на выходе устройства помимо изменения значения емкости конденсатора C или величины сопротивления резистора R необходимо одновременно изменять и параметры интегрирующей цепочки R-C.
Это является существенным недостатком прототипа.
Рассмотрим работу ГУН. Зависимость выходной частоты ГУН от управляющего напряжения определяется соотношением:
Здесь
где
y
k=(1+R/R)
Н
B
П
U, U - фиксированные напряжения нижнего и верхнего порогов триггера Шмитта при напряжении питания U,
упр
U - напряжение управления на входе ГУН,
y
R, R - сопротивление резистора управления на входе ГУН и сопротивление резистора обратной связи,
С - времязадающая емкость конденсатора ГУН.
упр
y
c
2
разв
0
Качественно зависимость частоты F от U для разных соотношений R/R представлена на фиг.3. Эта зависимость представляет собой некое подобие семейства обращенных вниз парабол. Как видно из рисунка, диапазон развертки для ГУН ΔU определяется напряжением верхнего и нижнего уровней на интегрирующем конденсаторе С, зависящих от частоты приведенной развертки F/F, и располагается в области максимальных значений частот в зоне неоднозначности.
Это является еще одним недостатком прототипа.
y
Вид характеристик (фиг.3), значения частот и степень расширения частотного диапазона определяются отношением R/R.
y
Видно, что при увеличении отношения R/R крутизна кривых уменьшается, т.е. относительное изменение частотного диапазона сканирования сужается. Таким образом, прототип имеет следующие основные недостатки:
c
- область сканирования частот при увеличении скорости развертки характеризуется сужающейся областью изменения частоты сканирования из-за уменьшения диапазона управляющего напряжения ΔU (фиг.2);
- закон изменения частоты импульсов F от времени на выходе устройства в выбранном диапазоне имеет неоднозначный характер (фиг.3);
- максимальное значение выходной частоты F лежит внутри диапазона сканирования (фиг.3), а не на одной из его границ;
- при переходе с одной частоты развертки на другую для сохранения ширины диапазона выходных частот необходимо одновременно производить перенастройку всех параметров схемы, изменяя значения сопротивлений и емкостей устройства.
Целью данного изобретения является импульсный генератор качающейся частоты на триггерах Шмитта с переключаемым направлением сканирования по частоте, свободный от перечисленных недостатков прототипа.
Заявляемое устройство состоит их 2-х взаимодействующих блоков, реализованных на стандартных цифровых КМОП триггерах Шмитта: блока сканирования 1, играющего роль генератора развертки, задающего диапазон и скорость сканирования, и блока ГУН 2, генерирующего прямоугольные импульсы внутри этой области с нарастающей или убывающей частотой F выходных импульсов.
Электрическая схема предлагаемого устройства представлена на фиг.4.
3
oгp1
1
1
1
21
1
1
y
1
21
2
y
oгp2
2
Выход триггера Шмитта блока развертки 1 через времязадающий резистор R и шунтирующую его цепочку, состоящую из ограничивающего резистора R и диода Д, своим катодом направленного к выходу триггера, соединен с верхним выводом заземленного времязадающего конденсатора C, параллельно которому подключен управляемый делитель напряжения из последовательно соединенных резисторов R, R, ΔR, причем верхний вывод резистора R подключен к верхнему выводу конденсатора C и входному выводу резистора R ГУН блока 2, общий вывод резисторов R, R соединен с входом триггера Шмитта блока 1, а параллельно резистору ΔR подключен выход электронного ключа ЭК, вход которого связан с выходом триггера Шмитта блока 1; выход триггера Шмитта блока 2, являясь одновременно и выходом устройства, подключен к перекидному контакту 3 переключателя прямой и обратной развертки П, верхний контакт 1 которого связан с выводом времязадающего резистора R, другой вывод которого соединен с верхним выводом заземленного времязадающего конденсатора С, общим выводом резистора R и входом триггера Шмитта блока 2, а также с выводом резистора R, другой вывод которого соединен с анодом диода Д, катод которого подключен к выводу 2 переключателя П.
Работа заявляемого устройства зависит от выбора направления изменения частоты в заданном диапазоне сканирования, определяемого переключателем П.
Рассмотрим работу устройства для верхнего положения переключателя (замкнуты контакты 1-3), соответствующего убыванию частоты на участке прямого хода развертки (фиг.5). На фиг.5а показаны эпюры напряжений в блоке сканирования 1, а фиг.5б представляет зависимость выходной частоты от основных параметров схемы.
Н
В
H1
в1
в
н1
н
в1
Если бы в качестве генератора развертки использовался генератор на триггере Шмитта без управляемого делителя, то его выходное напряжение изменялось бы в диапазоне от U до U, численно равным значениям порогов срабатывания триггера Шмитта независимо от частоты развертки, т.е. находилось бы в зоне неоднозначности (фиг.3). Путем соответствующего выбора параметров управляемого делителя напряжения границы выходного напряжения «переносят» в область однозначности (U-U) на падающие участки зависимости генерируемой частоты от напряжения управления, а само сканирование начинается с верхнего значения выходной частоты F, соответствующего напряжению U, и заканчивается минимальной частотой F, соответствующей напряжению U (убывающая развертка по частоте).
В этом режиме заявляемое устройство работает следующим образом.
р
1
В
1
в1
р
2
21
В цикле собственно развертки (Т) происходит зарядка времязадающего конденсатора C до достижения напряжения на входе триггера Шмитта значения его верхнего порога срабатывания U. Напряжение же на конденсаторе C благодаря делителю достигает большего значения U, побуждая ГУН генерировать уменьшающуюся во времени частоту. В течение всего времени развертки Т электронный ключ ЭК разомкнут, и значение нижнего плеча делителя R оказывается равным (R+ΔR). Связь напряжений и параметров делителя определяется соотношением:
2
21
где R=R+ΔR.
н1
После достижения верхнего порога срабатывания выходное напряжение триггера Шмитта скачком уменьшается до логического нуля, и электронный ключ ЭК закорачивает нижний резистор делителя ΔR, формируя нижнюю границу выбранного диапазона U, определяемую соотношением:
1
oгp1
1
ох
oгp1
Конденсатор C начинает быстро разряжаться по цепочке R-Д, формируя обратный ход развертки длительностью Т. Ограничивающий резистор R защищает выход триггера Шмитта от перегрузки при повышенном напряжении питания.
После достижения напряжением на входе триггера Шмитта нижнего порога срабатывания он меняет свое состояние, на его выходе вновь устанавливается высокое напряжение, начинается очередной цикл развертки выходной частоты.
oгp2
y
Работа устройства для нижнего положения переключателя (замкнуты контакты 2-3) протекает аналогично вышеописанному, различие заключается в иной зависимости выходной частоты ГУН от управляющего напряжения. Для R << R выходная частота ГУН зависит от напряжения управления следующим образом:
0
F=FD
0
y
2
F=1/RC;
На фиг.6 качественно показана приведенная зависимость. Видно, что в отличие от ранее рассмотренного случая выходная частота ГУН возрастает с увеличение напряжения управления. Работа заявляемого устройства в этом режиме протекает аналогично вышерассмотренному.
Проведена экспериментальная качественная проверка макета генератора качающейся частоты и его количественное исследование в среде моделирования Multisim-10. Вид полученных зависимостей приведен на фиг.7.
Литература
1. Брага Ньютон С. 135 радиолюбительских устройств на одной микросхеме. Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2007.
2. Жуган Л.И., Матвеев В.Н. Линейный широтно-импульсный преобразователь с двумя выходами на цифровых микросхемах - триггере Шмита и двух инверторах. Патент на изобретение №2409891, 2011.