Интегрирование с помощью схемы
Л. – Сейчас увидишь. Предположим, что на вход этой схемы я подаю постоянное напряжение. Какое напряжение получим мы на выходе?
Н. – Ну, разумеется, классическую кривую заряда конденсатора – кривая напряжения поднимается и затем округляется, стремясь достичь максимума, равного приложенному на вход постоянному напряжению.
Л. – Прекрасно, Незнайкин. Если внимательнее рассмотреть эту кривую, то заметим, что в ней имеется небольшой участок равномерного подъема, который соответствует времени, когда выходное напряжение мало по сравнению с входным. Впрочем, это абсолютно логично, ведь на выводах резистора действует разность входного и выходного напряжений. Если входное напряжение имеет постоянную величину, выходное удерживается небольшим и проходящий через R зарядный ток практически остается постоянным. В этих условиях заряд конденсатора нарастает равномерно (а правильнее сказать «линейно»).
Н. – Хорошо, до сих пор все понятно, но я не вижу никакой связи между твоей историей с автомобилем и интегрированием.
Л. – Все очень просто. Подай на вход схемы рис. 70 напряжение, в каждый момент пропорциональное скорости автомобиля. Что произойдет, если при этом предположить, что выходное напряжение останется небольшим?
Н. – Раз мы предположили, что выходное напряжение ничтожно мало, протекающий по резистору ток в каждый момент будет пропорционален входному напряжению. Следовательно, конденсатор будет заряжаться быстрее или медленнее в соответствии со значением входного напряжения (т. е. если я не ошибаюсь, скорости автомобиля).
|
|
|
Л. – Нет необходимости анализировать дальше, так как все нас интересующее уже произошло: в каждый момент напряжение на выводах заряжающегося конденсатора повышается точно так же, как увеличивается пройденный автомобилем путь.
Если скорость большая (входное напряжение высокое), конденсатор зарядится быстро, напряжение на его выводах поднимается так же быстро, как увеличивается пройденный автомобилем путь, когда он движется быстро. Если в один прекрасный момент автомобиль остановится, входное напряжение становится равным нулю и конденсатор перестает заряжаться.
Н. – А, нет. Я с тобой совершенно не согласен; когда напряжение равно нулю, конденсатор разряжается.
Л. – Строго говоря, ты прав. Но мы предположили, что входное напряжение, а также сопротивление резистора и емкость конденсатора велики. Напряжение на выводах конденсатора всегда очень мало по сравнению с нормальными значениями входного напряжения, когда входное напряжение исчезает, конденсатор действительно немного разряжается, но этот разряд ничтожно мал.
|
|
|
Н. – Теперь я начинаю понимать, и у меня даже возникла идея.
Л. – Обычно к твоим идеям я отношусь с недоверием, но все же расскажи, что ты придумал.
Н. – Если вдруг машина начинает пятиться назад, то при известной ловкости можно считать, что ее скорость стала отрицательной.
Л. – Все правильно, в этом нет никаких фокусов, это совершенно правильное алгебраическое выражение.
Н. – Хорошо, но при таких условиях мы получим на входе схемы (рис. 70) отрицательное напряжение. Оно имеет значительную величину, и мы можем сказать, что конденсатор С разряжается. Точно такую же картину можно видеть на спидометре катящегося назад автомобиля – счетчик пройденного пути начнет крутиться в обратную сторону.
Л. – Прими мои поздравления, Незнайкин, ты прекрасно понял… В самом деле подаваемое на вход напряжение может быть отрицательным. Но мне не хотелось бы оказаться рядом с тобой в автомобиле при выполнении эксперимента на практике, когда ты попытаешься быстро ехать назад, оставаясь на правой стороне дороги. Но за исключением этого случая, который относится лишь к правилам уличного движения, твоя идея полностью обоснованна.
|
|
|
Совершенно – только ничто
Н. – Да, но… прости, здесь имеется одно непонятнее мне обстоятельство: Ты сказал, что схема на рис. 70 ведет себя правильно, т. е. ведет себя как интегрирующая схема, только при условии, что выходное напряжение очень маленькое. Но когда ездишь, машина неизбежно накапливает пройденные километры, иначе говоря, конденсатор С накопит вольты. Что же тогда делать, ведь ты уже не сможешь сказать, что выходное напряжение останется небольшим по сравнению с входным напряжением?
Л. – Ты совершенно прав. Эта система сохраняет работоспособность как интегрирующая в течение ограниченного времени, и это время можно увеличить, если подобрать высокоомный резистор и конденсатор большой емкости. Таким подбором можно сделать напряжение на выводах конденсатора чрезвычайно низким.
Н. – Но тогда, доводя дело до крайности, можно было бы сказать, что твоя схема действительно совершенна только в том случае, когда не дает никакого напряжения на выходе.
Л. – Незнайкин, ты попал прямо в один из управляющих миром философских принципов. Совершенство нам несвойственно, а совершенным могло бы быть лишь нечто, стремящееся к нулю. Мы же привыкаем к далекому от совершенства и от нуля и считаем это очень хорошим.
|
|
|
Н. – Я полагаю, что достаточно внимательно слушал тебя, но у меня складывается впечатление, что от интегрирования знаний мой мозг достиг такого напряжения, что верность восприятия, о которой ты говоришь, стала чрезвычайно далекой от совершенства, поэтому наступило время прервать нашу беседу.
Беседа восьмая
УМНОЖЕНИЕ И ДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Заразившись ненасытным желанием деформировать сигналы, Незнайкин узнает способы умножения, а затем деления частоты, что побуждает Любознайкина рассказать ему о мультивибраторе. Рассуждения о делении на четные числа подготавливают Незнайкина к мысли о существовании триггера, который путем «гибридизации» с мультивибратором дает схему с одним устойчивым состоянием. Незнайкин поддается соблазну заменить эту схему (при использовании ее в качестве «задержки импульсов») схемой «опережения импульса» (разумеется, системы Незнайкина).
Незнайкин – Дорогой Любознайкин, мне кажется, что, стараясь с присущей тебе изощренностью максимально деформировать сигнал, ты тем не менее проявил непонятную скромность.
Любознайкин – Я уже говорил тебе, что дело не в изощренности, а в электронике. Внеся справедливости ради эту поправку, я все же хочу знать, в чем я согрешил.
Н. – Своими преобразованиями ты настолько исказил форму сигналов, что теперь породивший их генератор не сможет узнать своих детей, но тем не менее, а может быть и вопреки своему желанию, ты сохранил частоту сигналов.
Л. – О, если речь идет только об этом, то, чтобы доставить тебе удовольствие, мы сейчас поговорим об умножении и делении частоты…
Н. – Вряд ли стоит заниматься этим вопросом только ради моего удовольствия, так как предчувствую, что это должно быть дьявольски сложно.
Л. – «Сложно» не то слово, можно сказать труднодоступно для понимания и даже больше… Ты когда‑нибудь слышал об устройствах, умножающих частоту?
Н. – Никогда, и я даже не вижу, для чего они могли бы понадобиться.
Умножение частоты
Л. – Ну, хорошо, сейчас ты это увидишь. Тебе, конечно, приходилось пользоваться кварцевым генератором?
Н. – Да, и я даже сделал один такой генератор, и он до сих пор работает достаточно хорошо. Кварцевый генератор дает исключительно стабильную частоту, что в нашем мире с его непрерывными изменениями вселяет некоторую уверенность.
Л. – А какую, по‑твоему, наиболее высокую частоту можно получить при кварцевой стабилизации?
Н. – О, у меня никогда не возникало потребности в частотах выше 3 или 4 Мги,
Л. – Ты может быть при необходимости и нашел бы кварц, работающий на частоте в два десятка мегагерц, но на более высокие частоты, во всяком случае, например, для частоты 185,25 Мгц, сделать кварц очень трудно.
Н. – Но я совершенно не вижу, какой интерес может представлять такая частота!
Л. – Из этого я могу заключить, что ты никогда не смотрел телевизионные передачи. А ведь частоту передатчика телевизионных сигналов тоже полезно стабилизировать кварцем.
Н. – Транзистор меня побери! Об этом‑то я и не подумал. И ты думаешь, что заказанный специально для частоты 185,25 Мгц кварц можно непосредственно использовать в передатчике?
Л. – Конечно, нет. Чем выше частота, на которой должен работать кварц, тем тоньше он должен быть; а на нашей частоте 185,25 Мгц он был бы очень тонкий…
Н. – Вероятно, как иллюзии…
Л. – Незнайкин, вместо измышлений, достойных астролога – предсказателя судьбы, ты бы лучше подумал, что сделать кварц толщиной в несколько микрон невозможно. Поэтому нам придется ограничиться кварцем, дающим частоту значительно ниже требующихся 185,25 Мгц.
Н. – В этом случае, мой дорогой друг, я с сожалением вынужден сказать, что раз кварц не дает нужную для передатчика частоту, я ровным счетом ничем помочь не могу.
Л. – Позволь мне возразить тебе, дорогой Незнайкин, я могу удовлетвориться кварцем со значительно меньшей частотой, если я способен умножить эту частоту в целое число раз.
Н. – Издалека же ты привел меня к этому. Предполагаю, что теперь ты объяснишь мне, как умножают частоту. Признаюсь, что эта проблема меня уже изрядно заинтриговала.
Л. – Дело значительно проще, чем ты думаешь. Ты, разумеется, слышал о колебательных контурах. Как тебе известно, в устройстве, состоящем из конденсатора и катушки индуктивности, при возбуждении электрическим импульсом возникают собственные колебания, частота которых определяется по формуле
Предположим, что мы сделали колебательный контур с частотой собственных колебаний 10 Мгц. Начнем возбуждать этот контур короткими электрическими импульсами с частотой повторения 1 Мгц. При каждом импульсе в нашем контуре возникают колебания с частотой 10 Мгц, которые имеют тенденцию затухать, т. е. их амплитуда уменьшается. В момент конца десятого колебания приходит новый импульс, придающий колебаниям «новые силы» (рис. 75), и цикл вновь повторяется.
Рис. 75. Импульсы с частотой 1 Мгц через каждые десять периодов возбуждают колебания в колебательном контуре, настроенном на частоту 10 Мгц. Частота выходного напряжения колебательного контура в 10 раз выше частоты возбуждающих импульсов.
Н. – Но здесь нет настоящего умножения частоты.
Л. – Так что же тебе надо? Я ввожу в схему импульсы с частотой 1 Мгц и получаю колебания с частотой 10 Мгц.
Н. – Да, до сих пор я внимательно следил за твоими объяснениями, но частоту 10 Мгц дает колебательный контур, и согласись, она не связана никаким соотношением с частотой воздействующих на контур импульсов.
Управление с помощью контура
Л. – Действительно никакого соотношения не было бы, если бы я не настроил умышленно колебательный контур так, что его собственная частота стала точно в 10 раз выше частоты приложенных колебаний. Теперь же новый импульс, придающий колебаниям «новые силы», дает этот толчок как раз в тот момент, когда должен кончиться десятый период. Таким образом, мы получили частоту 10 Мгц, которая как бы «управляется» импульсами с частотой повторения 1 Мгц. А теперь представь себе, что частота следования этих импульсов увеличивается на 0,5 %. Каждый подаваемый внешний импульс будет немного раньше «толкать» контур, частота собственных колебаний которого равна 10 Мгц. В результате этого выходная частота повысится тоже на 0,5 %. Само собой разумеется, что подобная система допускает только очень небольшие изменения входной частоты. Принимая во внимание, что речь идет об умножении на постоянное число частоты, стабилизированной кварцем, можно быть уверенным, что изменения этой частоты всегда очень невелики.
Н. – Хорошо, я согласен, что это действительно умножение частоты. Но одно в твоей системе меня шокирует: если для получения исходной частоты мне придется использовать стабилизированный кварцем генератор, то я сделаю все, чтобы он давал синусоидальное напряжение. Тогда он не сможет дать импульсы, способные возбудить колебательный контур.
Л. – Незнайкин, а разве ты забыл, о чем мы говорили прошлый раз? Неужели ты думаешь, что триггер Шмитта, дифференцирующая и другие схемы были изобретены только для того, чтобы доставлять неприятности Незнайкину? Ими также можно воспользоваться.
Н. – Должен признаться, что сейчас я о них как‑то забыл. Но все эти устройства представляются мне относительно сложными.
Л. – Ты действительно считаешь сложными устройства, состоящие из двух в высшей степени рядовых транзисторов и четырех резисторов и требующие для настройки одну или две минуты, если только вообще здесь можно говорить о настройке? Если ты, Незнайкин, останавливаешься на этом, то я предпочитаю немедленно отправиться спать.
Апериодическое умножение
Н. – Ну хорошо, предположим, что я этого не говорил. Но… прости мою ужасную привычку всегда выискивать возражения… Я все же нахожу довольно прискорбным, что система умножения частоты требует на входе такой высокой стабильности. Не можешь ли ты показать умножающую систему, допускающую значительные изменения входной частоты?
Л. – Незнайкин, найди мне одну такую систему, и я гарантирую, что на этот раз ты сможешь получить столь желанный патент и несомненно заработаешь на нем кучу денег (вернее, дашь возможность заработать деньги фирмам, которые будут выпускать по этому патенту аппаратуру). Но чтобы тебя несколько утешить, я могу познакомить тебя с более простыми способами умножения частоты. Результаты, правда, не сенсационные, но способы позволяют осуществлять умножение при больших изменениях входной частоты. Я даже уверен, что ты уже производил удвоение частоты.
Н. – Э! Конечно, нет! Ведь я‑то бы знал.
Л. – И ты несомненно это знаешь. Тебе, конечно, доводилось собирать на двух вентилях выпрямитель для получения постоянного напряжения от сети?
Н. – О, разумеется, но этот случай очень далек от удвоения частоты. Я использую ток с частотой 50 гц и получаю ток с частотой 0 гц… Если ты называешь это удвоением, то мне остается только склониться перед твоей мудростью.
Л. – Я имел в виду не то, что ты получаешь после фильтра, а то, что можно наблюдать до фильтра. Так как вентили работают поочередно, каждый в течение своего пол у периода, то на выходе фильтра ты обнаружишь напряжение с частотой, равной удвоенной частоте сети (рис. 76), иначе говоря 100 гц.
Рис. 76. Двухполупериодное выпрямление переменного напряжения 50 гц удваивает основную частоту, так как частота импульсов выпрямленного напряжения (тока) равна 100 гц.
Н. – Но это напряжение незначительно; сглаживающий фильтр и установлен там, чтобы убрать эту составляющую.
Л. – Да, но если ты не поставишь никакого фильтра, то получишь выпрямленное напряжение, состоящее из импульсов, соответствующих двум полупериодам, которые в основном содержат переменное напряжение частоты 100 гц% наложенное на постоянную составляющую.
Н. – Согласен, что частота этих импульсов напряжения равна 100 гц, но форма напряжения чрезвычайно далека от синусоиды.
Л. – Но я никогда и не говорил, что это синусоида. Если внимательно проанализировать полученное напряжение, то кроме постоянной составляющей и переменной составляющей с частотой 100 гц можно обнаружить гармоники, которые и придают кривой такую странную форму. Впрочем, с помощью фильтра очень легко устранить гармоники и оставить одну переменную составляющую с частотой 100 гц.
Н. – Хорошо, но если там имеется фильтр, система не годится для применения на всех частотах.
Л. – Полностью согласен, но я никогда не претендовал, что показываю тебе абсолютно универсальный удвоитель частоты.
Каскадное умножение
Н. – Но тогда твое отфильтрованное напряжение 100 гц можно было бы подать на другую аналогичную систему, полученные 200 гц вновь отфильтровать и в свою очередь…
Л. – Браво, Незнайкин, ты прекрасно понял, что часто целесообразно производить несколько последовательных умножений частоты. Так, например, для получения колебании с частотой 185,25 Мгц, о которых я тебе уже говорил, лучше всего воспользоваться кварцевым генератором с частотой 10,29 Мгц.
Утроив частоту методом, использующим колебательный контур, настроенный на третью гармонику кварца, с которым я тебя уже познакомил, получим 30,87 Мгц. Подадим колебание с полученной частотой на вход усилителя, работающего в режиме насыщения и имеющего тенденцию выдавать не столько импульсы, сколько гармоники. Колебательный контур, настроенный на его третью гармонику, позволит выделить колебание с частотой 92,62 Мгц. Удвоив ее, получим требующуюся нам частоту 185,25 Мгц (рис. 77).
Рис. 77. Кварцевый генератор, работающий на частоте 10,29 Мгц, в сочетании с двумя утраивающими и одним удваивающим частоту каскадами дает частоту 185,25 Мгц с такой же стабильностью, что и кварцевый генератор, хотя кварцев на такую частоту нет.
Деление частоты
Н. – Если частоту сигнала можно умножить, то вполне законно предположить, что ее можно и разделить. Это правильно, Любознайкин?
Л. – Ты сделал правильный вывод. Я бы даже сказал, что разделить частоту легче, чем умножить. Для этого существует несколько способов, и мы последовательно рассмотрим основные из них. Если частота изменяется относительно мало, можно взять импульсный генератор и синхронизировать его подлежащей делению частотой.
Мультивибратор
Н. – Что ты называешь импульсным генератором?
Л. – Например, мультивибратор. Принцип работы этого устройства проще, чем ты думаешь. Его схему я подготовил для тебя на рис. 78.
Рис. 78. Мультивибратор на двух транзисторах. Транзисторы поочередно запираются и отпираются: когда один из них заперт, другой находится в состоянии насыщения и наоборот.
Н. – Действительно, при рассмотрении схема не производит впечатления сложной. Но теперь я не очень доверяю твоим подобным заявлениям. Можно сказать, что это двухкаскадный усилитель, выход которого замкнули на вход.
Л. – Абсолютно верно, и именно по этой причине устройство начинает генерировать. Вспомни, что я рассказывал тебе о дифференцирующих схемах, и ты довольно легко поймешь, как работает новая. Предположим, что вначале ток проводит транзистор Т1 и что он находится даже в состоянии насыщения. Схема между его коллектором, эмиттером и базой оказывается как бы замкнутой накоротко. Мы должны предположить, что в этот момент транзистор Т2 заперт, так как напряжение на его базе отрицательное. В этих условиях протекающий по резистору R 4 ток, разряжая конденсатор С2 , стремится снизить отрицательный потенциал базы этого транзистора (и даже сделать его положительным). В один прекрасный момент база Т2 становится положительной…
Н. – Тогда этот транзистор тоже начинает пропускать ток и также достигает состояния насыщения, и на этом все останавливается.
Л. – He торопись, Незнайкин. Если транзистор Т2 начнет проводить ток, то потенциал его коллектора, который был равен +E , резко упадет до нуля. Это резкое изменение через конденсатор С1 будет полностью передано на базу транзистора Т1 . База резко станет отрицательной, и транзистор Т1 окажется запертым. Одновременно с этим повышение потенциала коллектора транзистора Т1 приводит к заряду конденсатора С2 и тем самым поможет транзистору Т2 достичь состояния насыщения.
Так как база транзистора Т1 имеет отрицательный потенциал, протекающий по резистору R3 ток разряжает конденсатор С1 и повышает потенциал базы Т1 до тех пор, пока он достигнет небольшого положительного значения. В этот момент транзистор Т1 начнет пропускать ток, что вызовет запирание транзистора Т2 , и все начнется сначала. На рис. 79 я нарисовал тебе изменения напряжений на коллекторах и на базах обоих транзисторов.
Н. – Я примерно догадываюсь, как это происходит. По сути дела напряжения на базах имеют примерно такую же форму, как и на рис. 69, и это вполне нормально, потому что эти напряжения получены после цепочек связи, состоящих из конденсаторов и резисторов. Но меня изрядно удивляет форма напряжений на коллекторах. Почему напряжение так медленно повышается и так резко падает?
Л. – Медленный подъем кривой объясняется очень просто. Когда, например, транзистор Т1 запирается, потенциал его коллектора не может быстро повышаться, так как для этого конденсатор С2 должен зарядиться через резистор R1 . Это придает кривой, о которой ты говоришь, закругленную форму.
А когда транзистор, например Т1 , резко отпирается, то схема по его коллектору как бы замыкается накоротко. Этим и объясняется большая крутизна спада напряжения на коллекторах, которую можно видеть на кривых изменения потенциалов коллекторов Т1 и Т2 . Кроме того, не следует забывать, что обе базы транзисторов не могут одновременно стать положительными. Как только база оказывается под малым положительным потенциалом, переход база – эмиттер становится проводящим, образуя настоящее короткое замыкание на корпус. Этим и объясняются горизонтальные участки кривых напряжений обеих баз на рис. 79.
Рис. 79. Форма напряжений показанного на предыдущем рисунке мультивибратора.
Можно было бы еще очень много рассказать о мультивибраторе, но твоих знаний уже достаточно, чтобы иметь возможность использовать его в качестве делителя частоты.
Условия насыщения
Н. – Прежде чем заняться делением частоты, я хотел бы задать один вопрос. Ты сказал, что транзисторы Т1 и Т2 находятся в состоянии насыщения, когда работают. Я тебе верю, но хотел бы знать, почему.
Л. – Задавая этот вопрос, ты абсолютно прав. Предположим, например, что сейчас ток проводит транзистор Т1 . Ток его базы проходит через резистор R3 . Потенциал базы почти равен потенциалу эмиттера, как это бывает в любом незапертом транзисторе. Следовательно, падение напряжения на резисторе R3практически равно +Е . Значит, протекающий по этому резистору ток, т. е. ток базы транзистора Т1 приблизительно равен E /R3 .
Кроме того, если этот транзистор находится в состоянии насыщения, потенциал его коллектора практически равен нулю, а ток коллектора приблизительно равен E /R1 . Поэтому для выполнения условия насыщения достаточно иметь такой коэффициент усиления транзистора по току (который мы обозначаем буквой β ), чтобы произведение тока базы E /R3 на β было больше максимального тока, который сможет пропустить коллектор, т. е. 
Возьмем для наглядности числовой пример. Пусть коэффициент усиления транзистора по току β = 30. Тогда для выполнения условия насыщения произведение 30·(Е /R3 ) – должно быть больше E /R1 , для чего достаточно, чтобы сопротивление резистора R3 было меньше 30·R1 .
Н. – До сих пор я внимательно следил за тобой, но имеется еще один момент: ты пренебрегаешь токами, которые могут поступать или уходить с баз или коллекторов вследствие зарядов или разрядов конденсаторов.
Л. – Они только упорядочивают работу схемы. Например, когда конденсатор C1 заряжается через резистор R2 , зарядный ток прибавляется к току, поступающему на базу транзистора Т1 через резистор R3 . Как ты видишь, он просто улучшит положение.
Синхронизация
Л. – А теперь я воспользуюсь диодом Д1 , который до сих пор оставался без дела, чтобы подать на коллектор Т1 отрицательный импульс из точки А через конденсатор С3 .
Н. – А какую роль играет резистор R5 ?
Л. – Этот резистор просто‑напросто устанавливает средний потенциал катода диода Д1 на уровне +Е . Поэтому диод может проводить ток только при запертом транзисторе Т1 (потому что это повышает потенциал коллектора транзистора Т1 и потенциал анода диода до уровня +Е ), когда катод этого диода стал отрицательным под воздействием поступающего через конденсатор С3 импульса.
Н. – Но это ужасно! Если ты таким образом подашь импульс на коллектор транзистора Т1 , то полностью нарушишь работу схемы!
Л. – Должен признаться, что именно это я и намерен сделать. Предположим, например, что мультивибратор имеет тенденцию работать с частотой повторения 100 гц. Подадим ему в точку А отрицательные импульсы с частотой 330 гц. Предположим для начала, что первое срабатывание мультивибратора, совпадающее с резким падением потенциала на коллекторе транзистора Т1 произойдет точно в момент поступления импульса в точку А .
Есть все основания полагать, что когда в точку А придет следующий импульс, транзистор Т1 еще будет в состоянии насыщения. Поэтому приложенный на катод диода импульс не будет передан. Следующий импульс может застать транзистор Т1 в состоянии насыщения и также не вызовет никакого результата. Третий импульс придет в момент, когда мультивибратор вот‑вот самопроизвольно опрокинется; Т1 еще заперт, а база транзистора Т2 почти готова открыться. Этот третий импульс опрокинет мультивибратор на какое‑то мгновение раньше, чем он сделал бы это сам. Три периода сигнала с частотой 330 гц занимают времени чуть меньше одной сотой доли секунды. Через три следующих импульса картина повторяется во всех мельчайших подробностях; поступивший в точку А импульс вызовет опрокидывание мультивибратора немного раньше положенного ему срока. Таким образом, наш мультивибратор станет работать несколько быстрее, чем если бы ему предоставили полную свободу действий. Он станет давать сигналы с частотой 110 гц, т. е. с частотой, ровно в 3 раза меньшей приложенной (рис. 80).
Рис. 80. Подаваемые в точку А синхронизирующие импульсы вызывают опрокидывание мультивибратора несколько раньше момента его самопроизвольного опрокидывания. В результате мультивибратор дает сигналы с частотой в 3 раза ниже частоты подаваемых в точку А синхронизирующих импульсов.
Н. – Ну, с этим я не согласен. В первый раз, когда мы применением грубой силы заставим мультивибратор сработать преждевременно, неизбежно произойдет какая‑то деформация мультивибратора. При повторном проявлении насилия следующая деформация наложится на первую. И через два или три периода мультивибратор вообще откажется подчиняться.
Л. – Как раз нет, Незнайкин. Мультивибратор не обладает памятью. Каждый раз после срабатывания, как самопроизвольного, так и вызванного внешним импульсом, мультивибратор оказывается в строго определенном состоянии, которое не зависит от вызвавшей его опрокидывание причины.
Н. – Если я правильно понял, твой мультивибратор не помнит зла.
Л. – Радиоэлектроника не располагает средствами психоанализа, которые позволили бы определить настроение мультивибраторов. Говоря проще на языке техники, они не имеют запоминающего устройства. Впрочем, это очень полезное для нас свойство.
Стабильность деления
Н. – Это действительно не кажется мне очень сложным. Но что произойдет, если я изменю частоту подаваемых в точку А импульсов? Например, если увеличу частоту до 400 гц?
Л. – Может быть, система еще будет действовать, и мультивибратор согласится ускорить ритм своей работы до 400 гц: 3 = 133 гц. Но может случиться и так, что после опрокидывания синхронно с одним импульсом к моменту прихода следующего импульса мультивибратор еще не станет чувствительным к пусковому импульсу. В этих условиях он не признает третьего импульса и сработает на четвертом, который поступает точно в тот момент, когда мультивибратор должен был опрокинуться самопроизвольно. Тогда система будет делить подаваемую частоту не на три, а на четыре.
Н. – Так, значит, система не очень стабильна?
Л. – Она стабильна, если не очень сильно изменять подлежащую делению частоту. Такая система не пригодна для деления любой частоты в одно и то же число раз. Если подаваемая на вход частота изменяется в небольших пределах, то ты получишь превосходный делитель частоты.
Н. – Теперь‑то я знаю, где мне использовать это устройство; уже давно мне хотелось сделать делитель на 819, чтобы превратить строчную частоту в кадровую[12]. Для этого я сделаю мультивибратор с собственной частотой срабатывания около 25 гц, вернее, немного меньше (как ты мне объяснил, синхронизация может только ускорить ритм), и подам на него импульсы с частотой строчной развертки.
Л. – Если тебе удастся осуществить свои планы, я готов преподнести тебе в лучшем ресторане фаршированную трюфелями курицу. Но сначала скажи, каким образом намерен ты сделать свои мультивибратор настолько хитрым, что он сработает не на 818‑м, а именно на 819‑м импульсе? Ведь состояние мультивибратора между этими двумя импульсами изменится настолько незначительно, что для обеспечения стабильности потребуется просто ювелирная регулировка.
Однако, сказанное не означает, что сделать делитель, уменьшающий поступающую частоту в 819 раз, невозможно, только делить ее придется в несколько приемов; ты может быть заметил, что 819 представляет собой произведение трех сомножителей: 9, 7 и 13. В первом каскаде ты разделишь свою частоту на 9. Полученные на первом мультивибраторе импульсы подашь на второй, который разделит их частоту на 7; второй каскад соединишь с третьим, который разделит подаваемую ему частоту на 13. И на этой третьей ступени деления ты, вероятно, столкнешься с наибольшими трудностями.
Н. – Если я правильно понял, ты, Любознайкин, просто суеверный человек – ты боишься числа 13…
Л. – Заверяю тебя, что суеверие здесь ни при чем. Я проявил бы еще больше беспокойства, при делении на 15 или 17. Ибо чем выше коэффициент деления, тем труднее осуществить деление; ведь наш мультивибратор не имеет права опрокинуться на двенадцатом импульсе, а обязан наверняка сработать на тринадцатом. В принципе это возможно, хотя и не так легко осуществить. Для подобных делений используют более сложные схемы, о которых сейчас я предпочитаю не говорить, так как это увело бы нас слишком далеко.
Деление на четное число
Н. – Согласен, спасибо за твои объяснения, но у меня появился один вопрос. Когда ты говорил о числе 13, ты заметил, что еще большее беспокойство вызвало бы у тебя деление на 15 или 17. Почему ты назвал только нечетные числа?
Л. – Очень хорошо, что ты обратил внимание на это обстоятельство. Для деления на четные числа существует очень хитрое устройство, обладающее лучшей стабильностью. Посмотри на схему, которую я начертил для тебя на рис. 81. Я не нарисовал остальную часть мультивибратора; скажу только, что он выполнен очень тщательно для достижения максимальной симметрии, т. е. чтобы в отсутствие синхронизирующих импульсов оба транзистора в каждый период оставались запертыми строго одинаковое время, и мультивибратор вырабатывал очень симметричные сигналы. Для достижения такой цели стараются сделать в пределах возможного одинаковыми по величине резисторы R3 и R4 (см. рис. 78) и конденсаторы С1 и С2 . Величины R1 и R2 имеют меньшее значение.
Рис. 81. Включение в схему двух диодов позволяет симметрично подавать сигналы на вход мультивибратора, чтобы синхронизировать каждое опрокидывание схемы и делить подаваемую частоту на четное число.
Н. – Я предполагаю, что ты постараешься также подобрать транзисторы с возможно одинаковыми параметрами.
Л. – Это, конечно, не повредит, но и пользы особой не принесет, так как наши транзисторы при переходе от запертого состояния к состоянию насыщения работают как прерыватели.
Предположим, что наш мультивибратор имеет тенденцию работать на частоте примерно 90 гц. Подадим ему в точку А отрицательные импульсы с частотой 400 гц. Они одновременно подаются в катоды диодов Д1 и Д2 . Пропустить импульс может только тот диод, чей анод соединен с запертым транзистором. Предположим, что один из этих импульсов опрокинул мультивибратор, заперев транзистор Т1 , и приведя в состояние насыщения транзистор Т2 . Следующий импульс может дойти до коллектора транзистора Т1 , потому что его потенциал равен +Е . Но этот импульс приходит через 1/400 сек после срабатывания мультивибратора, т. е. задолго до момента его очередного самопроизвольного опрокидывания, и если посланный импульс имеет правильно выбранную амплитуду, его окажется недостаточно для переброса схемы. Следующий импульс поступает через 1/200 сек после опрокидывания, т. е. незадолго до момента, когда мультивибратор опрокинулся бы самопроизвольно (напомню, что наш мультивибратор симметричный и каждое самопроизвольное опрокидывание происходит точно через 1/180 сек после предыдущего). Следовательно, этот второй импульс вызовет срабатывание мультивибратора; в результате транзистор Т1 перейдет в состояние насыщения, а транзистор Т2 будет заперт. Теперь передавать импульсы будет диод Д2 . Рассмотренная нами картина начнет повторяться; первый импульс не пройдет, вернее его воздействие не будет иметь последствий, и только следующий после него импульс вызовет новое опрокидывание схемы.
Н. – Но этого не может быть, твой мультивибратор запускается каждым вторым импульсом, т. е. он должен работать с частотой 200 гц.
Л. – Не забыл ли ты, дорогой Незнайкин, что полный период работы мультивибратора соответствует двум опрокидываниям. Имеется своего рода опрокидывание «туда» и опрокидывание «обратно». Иначе говоря, вполне нормально, что наш мультивибратор опрокидывается 200 раз в 1 сек, а его истинная частота равна 100 гц.
Н. – Еще раз я не подумал, как следует! Ты в самом деле прав. Но это чрезвычайно симпатично. Хотя частота делится на 4, мультивибратор запускается каждым вторым поступающим на вход импульсом, что несомненно повышает стабильность его работы.
Л. – Разумеется, именно поэтому я только что сказал тебе о трудности делить на 13 и тем более на 15 или на 17… А вот разделить на 14 было бы значительно легче, чем на 13.
Деление на 2
Н. – Вот о чем я сейчас подумал: если потребовалось бы разделить частоту на 2, работа была выполнена бы почти безукоризненно, так как мультивибратор срабатывал бы от каждого поступающего на вход импульса.
Л. – Ты совершенно прав, Незнайкин. Но сейчас я расскажу тебе о совершенно безупречном способе деления на 2, который никак не зависит от частоты. Я познакомлю тебя с новым устройством – с триггером с двумя устойчивыми состояниями, носящим еще название триггера Экклеса – Джордана. Вот тебе схема этого устройства (рис. 82).
Рис. 82. Схема триггера с двумя устойчивыми состояниями; диоды пропускают синхронизирующий импульс на тот из транзисторов, который находится в состоянии насыщения.
Н. – Ой, ой! Какая она сложная!
Л. – Может быть и сложная, но разобраться в ней совсем нетрудно. Здесь ты увидишь некоторую аналогию с мультивибратором (см. рис. 78). Когда один из транзисторов пропускает ток, он напряжением своего коллектора воздействует на базу другого транзистора. В отличие от мультивибратора здесь мы имеем прямую связь между каждым коллектором и базой противоположного транзистора. Так, например, если ток пропускает транзистор Т1 (если возможно в состоянии насыщения), потенциал его коллектора очень низкий. С помощью делителя напряжения R3 – R4 он придает потенциалу базы Т2 небольшую отрицательную величину, что надежно запирает транзистор Т2 . Но когда запертым оказывается транзистор Т1 , потенциал его коллектора близок к +Е и делитель из резисторов R3 – R4 будет стремиться создать на базе Т2 положительное напряжение. Как только база станет положительной, ток базы подрежет сверху напряжение, подводимое к ней через резисторы R3 и R4 .
Н. – Уф, хотя я и очень внимательно следил за твоим рассказом, числовой пример принес бы мне немалую пользу.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 221; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!