ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Рисунок 9.5 – Структура гиратора (а) и его символическое обозначение (б)

Символическое обозначение гиратора показано на рисунке 9.5б, а эквивалентная схема реализации гираторов с помощью двух управляемых источников тока i1 и i2 приведена на рисунке 9.6а.

а

б

Рисунок 9.6 – Эквивалентная схема, поясняющая реализацию гиратора (а), и его принципиальная схема (б)

81

Из приведенных схем видно, что различие правой и левой ветвей заключается только в направлении токов, создаваемых источниками токов, управляемыми напряжением соседней ветви. Свойства гиратора рассмотрим на примере схемы, изображенной на рисунке 9.6б, считая операционный усилитель идеализированным.

Для неинвертирующих входов можно записать уравнения

Таким образом, входное сопротивление левого входа обратно пропорционально сопротивлению, подключенному к правому входу.

Сопротивление Rg называют сопротивлением гирации. Оно ха-

рактеризует коэффициент преобразования сопротивления, подключенного к правому входу.

Если вместо резистора R2 подключить конденсатор C , то сопротивление левого входа

Z1 Rg2 j C .

82

типа обеспечивает получение отставания по фазе выходного напряжения на угол 1 , а RC-цепь дифференцирующего типа – опережение по

фазе на угол 2 . Значения углов 1 , 2 зависят от параметров R и C и могут меняться в пределах от 0 до 90 .

а – схема фазосдвигающей цепи интегрирующего типа; б – схема фазосдвигающей цепи дифференцирующего типа; в – RC-цепь

Рисунок 9.7 – Схемы фазосдвигающих цепей

При этом существенно меняется амплитуда выходного напряжения, определяемая модулем коэффициента передачи, поэтому реализация фазовых сдвигов, близких к значению 90°, с помощью подобных цепей затруднена.

От этого недостатка свободно фазосдвигающее устройство, представленное на рисунке 9.8а. Как видно из круговой диаграммы (рисунок 9.8б), у него модуль напряжения Uвых остается постоянным при

любых значениях R и C , а фаза может меняться от нуля до 180°. В этом устройстве трансформатор выполняет роль двух одинаковых источников напряжения питания и может быть заменен одинаковыми резисторами.

Для получения необходимых фазовых сдвигов также широко применяют мостовые цепи различного вида, например, двойные Т-образные мосты, мосты Вина или цепи, аналогичные, изображенным на рисунке 9.8в.

84

а– фазосдвигающая цепь, обеспечивающая получение постоянного модуля и фазового сдвига в пределах от 0 до 180°; б – круговая диаграмма; в – мостовая фазосдвигающая цепь

Рисунок 9.8 – Схемы фазосдвигающих цепей

При использовании операционного усилителя можно создать простые фазосдвигающие устройства, у которых фаза может быть изменена в пределах , а амплитуда выходного сигнала постоянна (ри-

сунок 9.9а, б).

а – фазовый сдвиг изменяется от (-π) до (+π); б – фазовый сдвиг изменяется от 0 до π

Рисунок 9.9 – Схема фазосдвигающих устройств с постоянной амплитудой выходного напряжения

Сигнал на неинвертирующем входе операционного усилителя (см. рисунок 9.9а)

85

Так как у идеализированного операционного усилителя значение Uвх1 Uвх2 , a Rвых 0 , то ток резистора R1 определяют из уравнения

Таким образом, коэффициент передачи по напряжению не зависит от значения сопротивления R2 , а фаза выходного напряжения при

изменении значения R2 от нуля до бесконечности меняется в пределах

180°.

Аналогично рассмотренному получают уравнение для устройства, изображенного на рисунке 9.9б.

Для получения двух напряжений, сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга, используют точные интегрирующие устройства. При этом амплитуда выходного сигнала уменьшается с увеличением частоты. Дифференцирующие устройства применяют редко из-за больших погрешностей сдвига фазы.

В тех случаях, когда необходимо в широкой полосе частот обеспечить получение точного 90-градусного фазового сдвига и при этом иметь неизменные амплитуды выходных напряжений, применяют двухканальные фазосдвигающие устройства. Их выполняют по идентичным схемам, состоящим из нескольких включенных последовательно простых устройств, например, таких, которые приведены на рисунке 9.9б. Причем параметры каждого фазосдвигающего устройства выбирают так, чтобы на любой рабочей частоте фазовый сдвиг между напряжениями каналов был равен 90°.

Так, при применении в каждом канале трех последовательно включенных цепей (см. рисунок 9.9б) частоты f1, на которых обеспечивается 90-градусный фазовый сдвиг у отдельных цепей, равны 206,

86

1675, 20060 Гц для одного канала; 49, 85, 597, 4853 Гц для другого. При этом при неизменной амплитуде удается получить погрешность квадратуры напряжений, меньшую 1…2° в полосе частот от 100 Гц до

10 кГц.

87

ЛЕКЦИЯ 10. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

10.1 Пассивные интегрирующие цепи

Интегрирующие цепи предназначены для интегрирования во времени электрических входных сигналов и в общем случае описываются уравнением

t

uвх t uвых 0 K uвх t dt ,

0

где uвых 0 – начальное значение выходного сигнала в момент времени

t 0 ;

K – коэффициент пропорциональности.

Интегрирование электрического сигнала идеальным интегрирующим четырехполюсником поясняется рисунком 10.1.

а

б

Рисунок 10.1 – Сигналы на входе (а) и выходе (б) идеального интегратора

88

Пусть входной сигнал представляет собой прямоугольные импульсы чередующейся полярности, не имеющие постоянной составляющей (рисунок 10.1а). В составе выходного сигнала (рисунок 10.1б) присутствует постоянная составляющая, и длительность выходных импульсов больше, чем длительность входных.

Это свойство интегрирующих цепей используют в некоторых схемах расширения импульсов.

Обычная RC-цепь, включенная так, как показано на рисунке 10.2а, является наиболее простым интегрирующим трехполюсником, представляющим собой частный случай четырехполюсника.

Рисунок 10.2 Схема простейшей интегрирующей RC-цепи (а) и прохождение через нее прямоугольного импульса (б)

Для случая uвых 0 0 напряжение на выходе такой цепи

uвых t uвхt .

RС

89

Таким образом, для того чтобы приведенная цепь являлась интегратором, необходимо, чтобы напряжение uвых t было мало. А так как

напряжение на выходе uвых t зависит от постоянной времени

RC-цепи, то увеличение постоянной времени приводит к увеличению точности интегрирования. Следовательно, при использовании RC-цепи для интегрирования входного сигнала необходимо, чтобы значение ее постоянной времени RC было достаточно большим.

Рассмотрим прохождение прямоугольного импульса через интегрирующую RC-цепь. Пусть он имеет идеальные фронты и максималь-

Первое слагаемое в полученном выражении описывает выходное напряжение uвых t при идеальном интегрировании, второе – значение ошибки интегрирования. Эта ошибка имеет наибольшее значение при условии t tu :

u t 2

вх u .

22

К моменту окончания импульса выходное напряжение достигает значения

а затем по экспоненциальному закону убывает до нуля с постоянной времени .

90