Входной усилитель-формирователь Для цифровой шкалы-частотомера

Рейтинг: 5 / 5

Подробности: Категория: Частотомеры; Опубликовано: 17.03.2017 16:31; Просмотров: 7262

Понравилась статья - поделись с друзьями

С.М. Задорожный
Такой функциональный узел, как входной усилитепь-формирователь —это необходимая составляющая цифровой шкалы-частотомера для сигналов, уровень которых не превышает десятков милливольт. Подаваемый но вход такого усилителя сигнал усиливается до уровня, достаточного для стабильной работы микросхем цифровых счетчиков. Усилитель не должен оказывать шунтирующего влияния на цепь, к которой подключается шкала, и поэтому его входное сопротивление должно быть высоким, а входная емкость — малой.

Кроме того, формируемый на выходе усилителя сигнал с цифровыми уровнями не должен содержать паразитных импульсов, способных внести ошибку в измерение частоты электронно-счетным способом
После ряда экспериментов, в том числе неудачных, автор имеет честь предложить на суд читателей схему, изображенную на рис.1.

Собственно счетные импульсы на выходе схемы формируются триггером Шмитта
D1:1. В этом качестве использовался один из шести элементов недорогой и популярной микросхемы SN74HC14N. При температуре окружающего воздуха +25°С и напряжении питания 5 В типовые уровни верхнего и нижнего порогов срабатывания такого триггера Шмитта составляют соответственно чуть более +2,5 В и чуть менее -1,6 В [2]. Процесс формирования счетных импульсов поясняет диаграмма на рис.2.

Поступающий на вход триггера Шмитта синусоидальный сигнал (см. рис.2) переключает его выход из состояния лог.'1' в состояние лог."0" лишь когда достигнет верхнего уровня срабатывания (+2,5В на рис.2), а из состояния лог."0" в
лог."1" - когда достигнет нижнего уровня (+1.6В на рис.2),и так далее, снова и снова. В результате на выходе триггера Шмитта будет сформирован прямоугольный цифровой сигнал той же частоты.
Поэтому для уверенного переключения триггера Шмитта размах переменной составляющей сигнала на его входе должен быть больше, чем отстоят друг от друга его верхний и нижний пороги срабатывания при условии,что уровень постоянной составляющей сигнала на входе триггера расположен между этими порогами посередине. При этом различные помехи с меньшим размахом не могут вызвать сбойное переключение триггера Шмитта и повлиять на результат измерения частоты.
Такую работу триггера Шмитта D1:1 обеспечивает усилитель входного сигнала на транзисторах VT1, VT2 и VT3. Постоянное напряжение на подсоединенном ко входу триггера коллекторе транзистора VT3 поддерживается в пределах между уровнями верхнего и нижнего порогов срабатывания триггера Шмитта при колебаниях в широких пределах температуры окружающего воздуха (см. диаграмму на рис.3)

и питающего напряжения +Vc (см. рис -1 Это стало возможным благодаря отрицательной обратной связи по постоянному току, которой охвачен усилитель

путем подачи части постоянного напряжения с выхода схемы в токо-задающую цепь источника стабильного тока,выполненного на полевом транзисторе VT1. Этот же транзистор работает как первый каскад усиления поступающего на вход переменного сигнала. На биполярных транзисторах VT2 и VT3, включенных по каскодной схеме, выполнен второй каскад усиления.
Для определения чувствительности собранного по схеме на рис.1 усилителя-формирователя на его вход с высокочастотного генератора Г4-158 подавался синусоидальный сигнал частотой 1 МГц, путем постепенного увеличения уровня которого определялся порог, где уже обеспечивалось надежное формирование счетных импульсов на выходе схемы. Частотная характеристика усилителя-формирователя была выявлена путем последовательного повторения этой операции с увеличением частоты входного сигнала: на частотах до 4 МГц чувствительность была не хуже 10 мВ, а на частоте 32 МГц она составила около 30 мВ. Уменьшение чувствительности усилителя-формирователя с ростом частоты входного сигнала характеризует диаграмма на рис.5.

Хорошие частотные свойства усилителя обусловлены применением высокочастотных транзисторов и каскодным построением второго каскада усиления [1].
Не менее важной является устойчивая работа усилителя-формирователя и при высоком уровне входного сигнала, когда усилитель работает уже как ограничитель, то есть за пределами относительно линейной области своей передаточной характеристики. Периодически повторяющиеся при этом переходные процессы могут породить на выходе усилителя -входе триггера Шмитта - лишние перепады напряжения и, как следствие, ложные импульсы на выходе схемы.

На рис.6 приведена осциллограмма с формой напряжения на коллекторе транзистора VT3 при подаче на вход усилителя сигнала частотой 1 МГц с уровнем более 70 мВ. По скругленным углам «трапеций» хорошо видно,что усилитель на транзисторах VT1, VT2 и VT3 «мягко» входит в режим ограничения и так же «мягко», то есть без
каких-либо признаков переходного процесса (всплесков, затухающих колебаний и пр.) выходит из него. Понятно, что при такой работе усилителя ни о каких ложных импульсах на выходе триггера Шмитта не может быть и речи.
Чтобы напряжение на входе триггера Шмитта D1:1 не выходило за пределы допустимого верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 следует установить несколько ниже напряжения питания микросхемы триггера. В схеме на рис.1 этот уровень устанавливается делителем из резисторов R7 и R6, напряжение с которого поступает на базу транзистора VT3. Резистор R7 делителя
подключен к шине питания цифровых микросхем +Vd, в том числе микросхемы D1, и поэтому, как это видно на осциллограмме на рис.6, напряжение на коллекторе транзистора VT3 не покидает пределы диапазона от 0 В до +5 В для Vd = 5В. При другом значении Vd верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 также будет иным.
Налаживание усилителя-
формирователя сводится к установке резистором R3 напряжения на коллекторе транзистора VT3, с тем, чтобы его значение лежало примерно посередине между верхним и нижним порогами срабатывания триггера Шмитта D1:1. Для микросхемы SN74HC14N при напряжении питания Vd = 5 В это около 2,0...2,1 В. Еще один способ установки требуемого напряжения состоит в следующем. На вход усилителя-формирователя с высокочастотного генератора следует подать синусоидальный сигнал частотой в пределах 0,2...1 МГц и уровнем раза в полтора-два больше порога чувствительности, скажем 20 мВ,и резистором R3 установить на выходе триггера Шмитта форму прямоугольного
цифрового сигнала близкую к «меандру», то есть с равной длительностью лог"0" и лог."1". Ток, потребляемый правильно собранным и налаженным усилителем-
формирователем от источника питания +Vс, не превышает 5 мА.
Максимально допустимый уровень входного сигнала определяется напряжением отсечки полевого транзистора VT1. Для КП303И это не более 0,5 В. Следует отметить, что при большем уровне входного сигнала усилитель может и не понадобиться - при правильном подключении хватит и одного триггера Шмитта.
Если максимальная частота входного сигнала не превышает 20 МГц, то биполярные транзисторы VT2 и VT3 вполне можно заменить на КТ361Б.
В статье приведены действующие значения напряжений сигналов.
РА №3/2008
Литература:
1. ТитцеУ. (Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство, пер. с нем.-М.: Мир, 1982; Описание микросхемы SN74HC14N: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ sn74hc14.pdf