Обзор Части 7



==470

В пунктах с @A по @H кратко описываются все вопросы, затрагивавшиеся в Части _7 . Здесь упоминаются основы и факты, но отсутствуют схемы и практические советы.

@A Обзор генераторов и таймеров

Генераторы - схемы, формирующие периодический выходной сигнал. Это может быть простой меандр ( или пачка импульсов ) с логическими уровнями, которые используются для тактирования цифровых схем. Или это может быть очень стабильный сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями ( форма может быть и другой, например, линейно возрастающее напряжение, используемое в АЦП или в ключевых преобразователях питания ). Сигнал с генератора характеризуется формой, частотой, амплитудой, возможностью изменения каких-либо характеристик, а также на следующем уровне детализации фазовым шумом, джиттером, степенью подавления боковых полос, величиной искажений, температурным коэффициентом частоты и её долговременной стабильностью.

Таймеры - схемы, выдающие в ответ на запускающее событие импульс с заданной длительностью, задержанный на определённое время. Основные характеристики: ширина импульса, величина задержки, возможность перезапуска, а на следующем уровне детализации - джиттер, долговременная стабильность временнЫх параметров и температурный коэффициент.

@B Релаксационные генераторы

Это простые генераторы, использующие заряд конденсатора через резистор или с помощью источника тока для получения самоподдерживающихся колебаний. Из RC цепочки можно сделать классический учебный генератор, если охватить её обратной связью через компаратор или ОУ ( §7.1.2.A ). Чаще для этих целей используют инвертор из какого-нибудь логического семейства ( §7.1.2.B ) или специальную микросхему таймера, например, популярный 555 ( §7.1.3 и табл. 7.1 ) или его современных последователей ( серия LTC6900, см. §7.1.4 ). Такие микросхемы таймеров и генераторов обеспечивают достаточно высокую точность и предсказуемость ( ∼1% ) длительностей и периодов в диапазоне частот от нескольких герц до нескольких мегагерц. Если добавить в схему цифровой счётчик, можно увеличить период до минут, часов и далее. Примерами могут служить 74HC4060 ( RC генератор + 14-разрядный двоичный счётчик, §7.1.4.C ) и LTC6991 ( генератор с времязадающим резистором и периодом от 1 ms до 9 часов, §7.1.4.B ). С другого конца временнОй шкалы находятся цифровые схемы, расширяющие частоту генераторов вверх в область десятков и сотен мегагерц ( §7.1.4.D ).

@C Генераторы, управляемые напряжением

Иногда бывает, что нужна возможность изменения частоты генерации с помощью управляющего напряжения. Генераторы, предоставляющие такую опцию, называются VCO . Они могут быть очень линейными и стабильными ( например, преобразователь напряжение - частота AD650 с нелинейностью порядка 0.01% ), а могут быть простые, как утюг ( например, 74LS624/629, точность и линейность не специфицируются и хорошо, если укладываются в ±20% ). Генераторы на резонансных схемах ( LC, кварцы, ПАВ, МЕМС), в отличие от RC цепей, могут настраиваться электронными методами. У некоторых из них узкие диапазоны перестройки, например, для кварцевых генераторов, управляемых напряжением ( VCXO ) он составляет ±100 ppm ( §7.1.6.C ), а у LC контуров с варакторной настройкой диапазон перестройки может составлять 2:1 . Для частот радиосвязи выпускаются законченные модули VCO, например, фирма Crystek выпускает линейку таких устройств, закрывающую частоты 50 MHz...5 GHz . Каждый модуль имеет умеренный диапазон перестройки от ±1% до ±25% .

@D Генераторы синусоидальных сигналов

Естественной формой сигнала RC генераторов является кусочная функция, собранная из фрагментов экспонент заряда/разряда или линейных графиков, если вместо резистора используется источник тока. В обоих случаях описанный сигнал подаётся на компаратор или ОУ, который замыкает путь сигнала. Таким образом, «естественной» формой сигнала является прямоугольник, треугольник, пила или даже напряжение в форме «акульих зубов», но синусоидального сигнала среди них нет.

Но во многих задачах нужен именно синус. Получить его можно, используя те же R и C, но в иной схеме включения. Чаще всего используется мостовой генератор Вина ( §7.1.5.B ) из двух резисторов и двух конденсаторов, сдвиг фаз которых взаимно компенсируется на частоте \( f=1/( 2πRC ) \) . В этой точке амплитуда сигнала в точности равна 1/3 от исходной. Обратная связь замыкается через неинвертирующий усилитель с коэффициентом G=+3 . Для завершения схемы требуется измерять амплитуду выходного сигнала и подстраивать усиление так, чтобы постоянно находиться рядом с уровнем ограничения. Когда-то два товарища Хьюллит и Паккард, придумавшие такую схему, организовали предприятие по производству генераторов.

Получить синус можно, пропуская несинусоидальный сигнал через ФНЧ. По этому принципу устроен RC генератор на сдвиге фаз ( §7.1.5.C ) и метод цифровых следящих фильтров ( §7.1.5.A ).

Генератор, создающий пару синусоидальных сигналов с разницей фаз 90° ( т.е. синус и косинус), называется квадратурным ( §7.1.9 ), а сигналы находятся «в квадратуре». Такого результата можно добиться с помощью аналоговой техники: пары интеграторов, резонатора на переключаемом конденсаторе, фазосдвигающем фильтре с чередование фаз, радиочастотной гибридной схеме. А можно использовать цифровой подход, см. @G .



==471

@E Генераторы на резонансных цепях

Релаксационные генераторы и схемы на основе RC цепей обеспечивают стабильность не лучше 1% или около того. Их точность зависит от экспоненциальной кривой разряда ( во временной области ) или на плавном сдвиге фаз ( в частотной области ). Чтобы улучшить стабильность, нужно переходить на резонансные системы, частотные свойства которых можно определить очень точно. К резонансным цепям применимо понятие «добротности» ( Q ) или «избирательности по частоте», которая выражается через отношение \(Δ f/f\) и легко достигает \(10\space^6\) и более.

Простая резонансная LC цепь активно используется в частотном диапазоне от килогерц до сотен мегагерц ( §7.1.4.D ) и может достигать стабильности 10...100 ppm . Её можно менять механически переменным конденсатором или подстроечной индуктивностью либо электрически - варактором ( элементом, ёмкость которого зависит от приложенного напряжения ). На высоких частотах вместо LC контура используются коаксиальные резонаторы

Ещё более высокую стабильность, но меньший диапазон перестройки обеспечивают электромеханические резонаторы: кварцевые кристаллы ( §7.1.6 ), керамические резонаторы ( §7.1.6G ) и компоненты на поверхностных акустических волнах ( §7.1.6H ). Это недорогие и стабильные ( ∼10 ppm ) элементы, доступные для большого числа номиналов в диапазоне 10 kHz...100 MHz . Кварцевые генераторы можно «подкрутить» на ±100 ppm с помощью варактора. Такие схемы зовут VCXO . Керамические резонаторы допускают подстройку в пределах ±1000 ppm . Такие возможности определяются более низким значением добротности Q , а значит, и более низкой стабильностью. Цена керамических резонаторов ниже, а число доступных номиналов гораздо меньше.

@F Генераторы с высокой стабильностью

Если кварцевые генераторы удерживать при постоянной температуре, то возможно доведение стабильности до \(1:10\space^9\) для верхней доступной для OCXO границы. Остающийся дрейф относится в основном к механическим эффектам «старения» и диффузии. Следующий уровень стабильности дают атомные стандарты частоты ( §7.1.7.B ). Наиболее доступным из них являются рубидиевый стандарт. Он обеспечивает уровень \(1:10\space ^{10}\) . Цена ( $1k, но можно сторговаться на eBay ) позволяет встраивать их в отдельные приборы и связное оборудование. Есть более точные ( и менее доступные ) варианты: цезиевые, водородные, на «охлаждённый ионах», но, как говорится, «если вы спрашиваете о цене, то она вас не устроит» .

К счастью, есть возможность получить отдачу от уплаченных налогов и воспользоваться службой времени, развёрнутой на спутниковой группировке GPS. За сумму порядка $1k можно заиметь собственный генератор 10 MHz с долговременной стабильностью \(10^{-12}\) .

@G Синтез частоты

VCO - подстраиваемые генераторы. Они и не особо стабильны и большим диапазоном перестройки не блещут. Кварцевые кристаллы стабильны , но диапазон перестройки измеряется в десятках ppm . Зато можно взять стабильный генератор с каким-то стандартным номиналом и создать нужную частоту с помощью имеющихся методов синтеза ( §7.1.8 ). Самый простой для понимания - прямой цифровой синтез частоты ( DDS ), в котором последовательные значения амплитуды на регулярной основе считываются из таблицы и превращаются в аналоговое выходное напряжение. Законченные кристаллы DDS включают всё необходимое для работы ( счётчики, таблицу, ЦАП ), широко распространены и стоят недорого. Им требуется источник опорной частоты и микроконтроллер ( Часть 15 ), который настроит внутренние управляющие регистры частоты, сдвига фазы и т.д. Микросхемы DDS позволяют создавать частоты от долей герца до гигагерц и способны менять её очень быстро и точно.

Вторым способом создания нужной частоты является фазовая автоподстройка ( PLL ). В самой простой форме это VCO, которым управляет фазовый компаратор, на один вход которого подаётся частота, кратная опорной с коэффициентом r , а на второй - частота, кратная выходу VCO с коэффициентом n . Выходная частота будет равна \( f_{out} \)=(n/r)×\( f_{REF} \) . В этой теме много деталей и тонкостей, касающихся петлевой устойчивости, боковых полос, джиттера, разрешения, времени захвата и т.д. Подробности можно найти в §13.13 .

@H Таймеры и одновибраторы

Простую импульсную схему, срабатывающую по фронту, можно собрать на пассивной RC цепочке, или более качественный вариант на RC и биполярном или МОП транзисторе ( §7.2.1.A ). Более чистые фронты импульса и меньшие времена срабатывания дают схемы на логических вентилях ( §7.2.1.C ). Но бОльшую предсказуемость параметров имеют схемы на основе таймеров или моностабильных мультивибраторов ( одновибраторов ). В их число входят классический универсальный 555, а также специализированные микросхемы LTC6991/3, ICM7240/50/60 или MC14536/41. Одновибраторы - микросхемы, построенные по технологии смешанных сигналов, т.е. это линейные схемы с цифровыми функциями ( или наоборот ). Эти компоненты имеют особенности использования, например, повышенную чувствительность к шуму источника питания. Диапазон задержек/ длительностей простирается от десятков наносекунд до единиц секунд. Среди одновибраторов есть перезапускаемые и не перезапускаемые варианты. У первых выходной импульс можно расширять, если активировать запускающее событие в момент, когда предыдущий импульс ещё не окончен. Длительность импульса задаётся внешней RC цепочкой \(τ\) = K·\(RC+t_{min}\) , а множитель «K» зависит от производителя микросхемы и имеет близкое к единице значение, см. табл. 7.4 и рис. 7.60 .



==472

Больше возможностей имеют ИМС таймеров, т.к. в их состав входит цифровой счётчик. Скажем, LTC6991 расширяет верхний предел задержек до 10 часов. Того же результата можно добиться, используя внешний счётчик. Рассматривая различные пути расширения временнЫх интервалов или формирования хитрых временнЫх диаграмм, не стоит забывать о микроконтроллерах ( им отведена Часть 15 ), с помощью которых реализован экспонометр УФ-излучения, требующий учёта времени ( §15.2 ).



==472