Меню

Преобразователь синусоидального напряжения прямоугольные импульсы

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Схема преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный является важной аналоговой схемой. Она имеет широкий спектр применения во многих различных областях электроники, таких как акустика, аудиоприложения, инверторы, источники питания, генераторы функций и т. д.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

В этом проекте мы обсудим, как работает схема преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный и как она может быть собрана с использованием простых пассивных электронных компонентов.

Преобразователь прямоугольного сигнала в синусоидальный может быть собран н с использованием 6 пассивных компонентов, а именно трех конденсаторов и трех резисторов. Используя эти три конденсатора и три резистора, можно построить трехкаскадную RC-цепь, которая принимает прямоугольный сигнал на входы и выдает синусоидальный сигнал. Простая однокаскадная RC-цепь показана на следующем изображении.

Простая однокаскадная RC-цепь

В приведенной выше схеме показан однокаскадный RC-фильтр, в котором используется один резистор и один конденсатор. Эта по своему принципу работы схема довольно проста. Конденсатор заряжается в зависимости от состояния прямоугольного сигнала. Если прямоугольный сигнал на входе находится в высоком положении по напряжению, конденсатор заряжается, а если он находится в низком положении, конденсатор разряжается.

Изменяющийся прямоугольный сигнал, имеет частоту, в зависимости от этой частоты выходной сигнал цепей изменяется. Из-за такого поведения схемы RC-фильтр называется RC-интегратором. Схема RC-интегратора изменяет выходной сигнал в зависимости от частоты и может изменить прямоугольный сигнал на треугольный или треугольный на синусоидальный.

В этом уроке мы используем эти интегральные RC-цепи для преобразования прямоугольного сигнала в синусоидальный. Полная принципиальная схема преобразователя приведена далее, и, как вы можете видеть, в ней очень мало пассивных компонентов.

принципиальная схема преобразователя

Схема состоит из трех каскадов фильтрующих RC-цепей. Каждый каскад имеет свое значение преобразования, давайте разберемся с работой каждого каскада и как он способствует преобразованию прямоугольного сигнала в синусоидальный, осуществив моделирование. Чтобы знать, как работает преобразователь, нужно понимать, что происходит на каждом каскаде RC-фильтра.

Первый каскад RC-цепи имеет последовательно включенный резистор и параллельный конденсатор. Выход доступен через конденсатор. Конденсатор заряжается через резистор последовательно. Но, поскольку конденсатор является частотно-зависимым компонентом, для зарядки требуется время. Однако эта скорость заряда может быть определена постоянной времени RC-фильтра. Посредством зарядки и разрядки конденсатора, и поскольку выходной сигнал поступает от конденсатора, форма сигнала сильно зависит от напряжения заряда конденсатора. Напряжение на конденсаторе в течение времени зарядки можно определить по приведенной формуле:

Напряжение на конденсаторе в течение времени зарядки

И напряжение разряда можно определить по следующей формуле:

напряжение разряда

Следовательно, из приведенных выше двух формул постоянная времени RC является важным фактором, определяющим, сколько заряда хранит конденсатор, а также, сколько разряда выполняется для конденсатора в течение постоянной времени RC. Если мы выберем значение конденсатора равным 0,1 мкФ, а резистор – 100 кОм, как показано на рисунке далее, постоянная времени будет равна 10 миллисекундам.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Теперь, если через этот RC-фильтр подается постоянный прямоугольный сигнал 10 мс, форма выходного сигнала будет такой же из-за зарядки и разрядки конденсатора с постоянной времени RC 10 мс. Сигнал здесь представляет собой экспоненциальную форму параболической формы.

Читайте также:  Схема регулирования напряжения генератора постоянного тока

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Теперь выход первого каскада RC-цепи является входом второго каскада RC-цепи. Эта RC-цепь принимает экспоненциальный сигнал параболической формы и делает его треугольным. Используя тот же сценарий постоянной зарядки и разрядки RC, RC-фильтры второго каскада обеспечивают прямой восходящий наклон, когда конденсатор заряжается, и прямой нисходящий наклон, когда конденсатор разряжается. Выход этого каскада – линейное изменение, правильный треугольный сигнал.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

На третьем каскаде RC-цепи выход второй RC-цепи является входом третьего каскада RC-цепи. Он принимает треугольный линейный сигнал в качестве входного сигнала, а затем изменяет формы треугольных сигналов. Это обеспечивает на выходе синусоидальный сигнал, где верхняя и нижняя часть треугольного сигнала сглаживаются, делая их изогнутыми.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Значение конденсатора и резистора являются наиболее важными параметрами этой цепи. Поскольку без надлежащего значения конденсатора и резистора постоянная времени RC не будет согласована для конкретной частоты, конденсатор не получит достаточно времени для зарядки или разрядки. Это приводит к искаженному выходу или даже к высокой частоте, резистор будет работать как единственный резистор и может генерировать ту же форму сигнала, что и на входе. Таким образом, значения конденсатора и резистора должны быть выбраны правильно.

Если входную частоту можно изменить, можно выбрать случайное значение конденсатора и резистора и изменить частоту в соответствии с комбинацией. Рекомендуется использовать одинаковое значение конденсатора и резистора для всех каскадов фильтра. Для быстрой зарядки на низких частотах используйте конденсатор с более высоким значением, а для высоких частот выберите конденсатор с более низким значением. Однако если все компоненты R1, R2 и R3 имеют одинаковое значение и все конденсаторы C1, C2, C3 имеют одинаковое значение, конденсатор и резистор можно выбрать с помощью приведенной формулы f = 1/(2π x R x C). Здесь F – частота, R – значение сопротивления в Омах, C – емкость в Фарадах. Ниже приведена схема трехкаскадной интегральной RC-цепи, которая была описана ранее. Однако в схеме используются конденсаторы емкостью 4,7 нФ и резисторы 1 кОм. Это создает приемлемый диапазон частот в диапазоне 33 кГц.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Для тестирования схемы соберем ее на макетной плате, а для проверки выходного сигнала используем генератор функций и осциллограф. Схема очень проста и, следовательно, ее легко собрать на макетной плате, как вы можете видеть на следующем изображении.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Для этой демонстрации мы используем генератор функций, и, как вы можете видеть на изображении далее, генератор функций настроен на желаемый выходной сигнал прямоугольной формы 33 кГц.

Простая схема преобразователя прямоугольного сигнала в синусоидальный

Выходной сигнал можно наблюдать на осциллографе. Входной прямоугольный сигнал показан желтым цветом, а выходная синусоида – красным цветом.

Источник



Формирование прямоугольных импульсов из синусоиды

Этот метод формирования импульсов имеет весьма существенное преимущество, заключающееся в том, что стабильность частоты входного синусоидального напряжения может быть достаточно высокой, и, следовательно, частота сформированной периодической последовательности импульсов будет также строго постоянной. Это преимущество будет реализовано, если в качестве генератора синусоидальных колебаний будет работать кварцевый генератор.

Основной задачей при формировании импульсов из синусоиды является получение импульсов, по возможности близких по форме к прямоугольным, т.е. с наивысшей крутизной фронта и среза.

Читайте также:  Блок питания компьютера допустимые отклонения напряжения

Пусть на вход двустороннего амплитудного ограничителя подаётся синусоидальное напряжение (рис.2.18). Поскольку ограничитель двусторонний симметричный, то

Епв = Епн = Еп.

Напряжение на выходе будет следовать за напряжением на входе до тех пор, пока не достигнет величины Еп. Напряжение на выходе будет определяться как

…………… (2.15).

Если учесть, что длительность фронта τф значительно меньше периода синусоиды Т, т.е. и, следовательно, , то можно функцию синуса заменить его аргументом. В результате получим:

Рис.2.18. Получение прямоугольных импульсов при двустороннем

симметричном ограничении синусоиды

,

После несложных преобразований получим

…………………. (2.16).

Из этого выражения следует, что формируемое напряжение будет тем ближе к прямоугольной форме, чем больше будет амплитуда синусоиды, чем больше её частота и чем меньше будет порог ограничения Еп. Однако бесконечно увеличивать амплитуду синусоиды на входе ограничителя нельзя, так как это напряжение ограничено величиной допустимой электрической прочности элементов схемы. Чтобы всё-таки увеличить крутизну фронтов формируемых импульсов, полученное после ограничения напряжение усиливают и вновь ограничивают до тех пор, пока не получат необходимого значения крутизны фронтов.

В зависимости от способа включения диода и нагрузки различают два вида ограничителей:

· диодные ограничители с последовательным включением диода

· диодные ограничители с параллельным включением диода и нагрузки.

Диодные ограничители с последовательным включением

Диода и нагрузки

Ограничители с нулевым порогом ограничения.

Схема такого ограничителя приведена на рис.2.19,а. Эпюры напряжений показаны на рис.2.19,б.

а)б)

Рис.2.19. Последовательный ограничитель с нулевым порогом

а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений.

Из схемы следует, что входное напряжение Uвх распределяется между диодом VD и резистором нагрузки Rн. От соотношения их сопротивлений зависит, какая часть напряжения Uвх выделяется на выходе. Сопротивление диода в прямом направлении Rпр > Rн.Поэтому отрицательная полуволна практически полностью выделяется на диоде, и Uвых≈ 0.

Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение входного напряжения снизу с порогом ограничения, равным нулю.

Ограничение сверху с нулевым порогом ограничения можно получить, изменив полярность включения диода (рис.2.20,а; б).

а) б)

Рис.2.20. Последовательный ограничитель с нулевым порогом

а) схема диодного ограничителя; б) эпюры напряжений

Ограничители с нулевым порогом ограничения применяются для исключения импульсов определённой полярности из последовательности разнополярных импульсов (рис.2.21).

Рис.2.21. Получение импульсов одной полярности из последовательности

Ограничители с ненулевым порогом ограничения.

Для получения порога ограничения, отличного от нуля, последовательно с нагрузкой включают напряжение смещения Есм, равное выбранному порогу ограничения.

В схеме, изображенной на рис.2.22, при отсутствии входного сигнала от источника смещения Есм на катод диода VD подаётся отрицательный потенциал, а анод диода через источник входного сигнала соединяется с положительным полюсом + Есм. Диод смещается в прямом направлении, т.е. рабочая точка диода сдвигается вправо по ВАХ.

а)

б)

Рис.2.22. Ограничитель снизу с отрицательным порогом ограничения:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений

Таким образом, до поступления входного напряжения диод открыт и через резистор Rн протекает ток, создающий на нём напряжение с полярностью, указанной на рисунке. Если пренебречь сопротивлением источника сигнала и по-прежнему считать, что Rн>> Rпр, то основным сопротивлением в цепи будет Rн, поэтому до начала действия Uвх напряжение на нагрузке U≈ Есм и Uвых = UЕсм 0. Положительная полуволна напряжения Uвх действует согласно с Есм и почти целиком (т.к. Rн>> Rпр), выделяется на резисторе Rн. Поэтому U = Есм + Uвх и Uвых = UЕсм = Uвх, т.е. выходное напряжение, начиная нарастать от нуля, повторяет все изменения входного напряжения.

Читайте также:  Как расчитать постоянное напряжение

При действии отрицательной полуволны входного напряженияисточника Есм и Uвх оказываются включёнными встречно, так что результирующее напряжение в цепи будет равно Uвых = ЕсмUвх, где Uвх – абсолютное значение напряжения. Пока напряжение ЕсмUвх > 0, диод остаётся смещённым в прямом направлении, он проводит ток и напряжение на выходе равно входному.

В некоторый момент времени напряжение отрицательной полуволны достигает значения, равного –Есм. Начиная с этого момента, диод запирается, и дальнейшее увеличение Uвх не влияет на выходное напряжение. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение снизу с отрицательным порогом Uогр = – Есм.

Если в схеме рис.2.22 изменить полярность источника смещения Есм

и направление включения диода, то получится схема, изображённая на рис.2.23

а) б)

Рис.2.23. Ограничитель сверху с положительным порогом ограничения:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.

Как и в предыдущей схеме, здесь до начала действия Uвх напряжение на выходе равно нулю. С началом действия положительной полуволны входного напряжения диод будет проводить ток до того момента, когда величина Uвх, действующего на катоде, станет равной потенциалу анода (т.е. + Есм), после чего диод запирается. В запертом состоянии диод будет находиться до тех пор, пока уменьшающееся на катоде напряжение Uвх не станет вновь равным потенциалу + Есм, после чего диод вновь отпирается, и через него и резистор Rн начинает протекать ток. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает ограничение сверху с положительным порогом Uогр = + Есм.

Рассмотрение других сочетаний полярности источника смещения и направления включения диода не сложно.

Комбинируя ограничения сверху и снизу, можно получить двусторонний ограничитель (рис.2.24), который используется для получения трапецеидальных импульсов из синусоидального напряжения. Диод VD1 пропускает положительную полуволну входного напряжения, но ограничивает отрицательную полуволну на уровне Есм, подобно схеме рис.2.22. Диод VD2 пропускает на выход схемы отрицательную полуволну, но ограничивает положительную полуволну на уровне + Есм, подобно схеме рис.2.23.

а) б)

Рис.2.24. Двусторонний симметричный ограничитель:

а) схема ограничителя; б) эпюры напряжений.

Необходимо иметь в виду, что временные диаграммы, изображённые на рис.2.22 …2.24, соответствуют идеальному диоду, у которого Rпр = 0

и Rобр = .

Достоинства схем с последовательным включением диода и нагрузки:

· чёткое (чистое) ограничение, т.к. диод в запертом состоянии отключает нагрузку от входной цепи.

Недостатком схем с последовательным включением диода и нагрузки следует считать то, что при большой крутизне фронта входного напряжения

(т.е. при работе с высокочастотными составляющими спектра) начинает сказываться паразитная ёмкость схемы, которая вместе с сопротивлением нагрузки создаёт дифференцирующую цепь, искажающую форму выходного напряжения.

Источник