Материал: Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

7

С и н х р о н и з а ц и я р е л а к с а ц и о н н ы х ге н е р а то р о в и д е л е н и е ч ас то ты

7.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Внастоящей главе рассматриваются релаксационные генера­ торы (релаксаторы), работающие в режиме синхронизации и де­ ления частоты.

Такой режим получается, если на релаксатор, работающий в автоколебательном режиме, воздействовать внешним периодиче­ ским напряжением. При этом частота колебаний изменяется. Если в автоколебательном режиме она определялась лишь параметрами схемы релаксатора, то теперь, при выполнении определенных усло­ вий, частота колебаний релаксатора оказывается равной или крат­ ной частоте внешнего сигнала. Таким образом, релаксатор начи­ нает работать синхронно с генератором внешнего синхронизирую­ щего напряжения.

Следует отметить, что ждущий релаксатор также работает син­ хронно с генератором внешних запускающих импульсов. В отличие от ждущего релаксатора, в котором колебания прекращаются при отключении генератора внешнего напряжения, для режима синхро­ низации характерно сохранение колебаний в релаксаторе при от­ ключении внешнего напряжения, но уже с другой частотой.

Синхронизированные релаксаторы широко применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить строгое временное согласо­ вание работы двух различных устройств, например временной раз­ вертки осциллографа и генератора исследуемого напряжения. Не менее важно применение синхронизированных релаксаторов в ка­ честве делителей частоты, для чего необходимо обеспечить режим синхронизации при кратном отношении частот колебаний релак­ сатора и внешнего сигнала.

В качестве синхронизирующего можно использовать периоди­ ческое напряжение любой формы, однако наибольшее применение получили короткие импульсы и напряжение синусоидальной фор­ мы. Использование коротких синхронизирующих импульсов с кру­ тым передним фронтом обеспечивает наиболее жесткую временную согласованность между колебаниями релаксатора и внешним

347

•сигналов. Синусоидальное синхронизирующее напряжение приме­ няется обычно в тех случаях, когда требуется особо высокая ста­ бильность частоты синхронизирующего напряжения. Последняя мо­ жет быть, как известно, достигнута при использовании генератора синусоидальных колебании с кварцевой стабилизацией.

Изучение режима синхронизации можно проводить примени­ тельно к любому типу релаксационного генератора. Вначале рас­ смотрим синхронизацию блокинг-генераторов, а затем распростра­ ним полученные результаты на мультивибраторы.

7.2. СИНХРОНИЗАЦИЯ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРОВ КОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ

7.2.1. УСТАНОВЛЕНИЕ РЕЖИМА СИНХРОНИЗАЦИИ

Пусть в момент I' к блокипг-генератору подключается источник

схеме блокинг-генератора возникает регенеративный процесс опрокидывания; для транзисторной схемы | f/nop| ~ | U533\ <С Ек.

До момента V блокинг-генератор работает в автоколебатель­ ном режиме, и период его собственных колебаний, определяемый параметрами схемы, равен Т0. В момент t' приходит первый син­ хронизирующий импульс и напряжение на базе транзистора ста­ новится равным (рис. 7.1): ыб (t') = «ба(0 + «сші( О , где г<0а(/) — на­ пряжение на базе в автоколебательном режиме, ыСішЮ = —Umcim— синхронизирующее напряжение. Таким образом, напряжение на базе транзистора во время действия синхронизирующих импульсов на короткое время понижается. При этом оказываются возмож­ ными два случая.

В первом из них (рис. 7.2) разность напряжений «ба— П,„ Сіш = = «б в момент t' оказывается недостаточной для отпирания тран­

348

зистора. Период повторения синхронизирующих импульсов Тсип выбирается обычно несколько меньшим периода автоколебаний Т0. Вследствие этого второй синхронизирующий импульс приходит в момент, когда напряжение «о а оказывается несколько большим, и, таким образом, этот импульс располагается выше на временной диаграмме и ближе к началу периода автоколебаний (точка Л2).

От периода к периоду наблюдается перемещение синхронизи­ рующих импульсов относительно моментов отпирания транзистора до тех пор, пока какой-то импульс (на рис. 7.2 четвертый) не при­ дет в момент, предшествующий пересечению экспонентой уровня

UпорТеперь синхронизирующий импульс оказывается расположен­ ным достаточно низко, и отпирание транзистора происходит в мо­ мент его действия. Через время Таш приходит следующий (пятый) синхронизирующий импульс, вновь открывающий транзистор, и т. д.

Важно отметить, что, хотя положение точки Л4 на временной диаграмме «б (0 зависит от начальных условий, положение сле­ дующей точки Л5 определяется формой напряжения m{t) в автоко­ лебательном режиме и длительностью периода 7С11н. Таким обра­ зом, уже после второго отпирания транзистора синхронизирующим импульсом устанавливается стационарный режим, при котором пе­ риод колебаний синхронизированного релаксатора Тр оказывается в точности равным периоду синхронизирующих импульсов.

Во втором случае уже первый из синхронизирующих импульсов приходит в момент, когда разность Мба— Um mm оказывается до­ статочной для отпирания транзистора. При этом, очевидно, сразу же после подачи второго синхронизирующего импульса устанавли­ вается стационарный режим синхронизации.

349

7.2.2. РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ

Рассмотренный выше режим синхронизации, при котором Гр = = Гош, не является единственно возможным. Изменяя величины Го,

шить примерно в два раза зна­ чение ГСІШпри неизменной ве­ личине Г0, то после отпирания транзистора каким-либо син­

ко высоко, что он не в со­ стоянии открыть транзистор (рис. 7.3).

При этом отпирание тран­ зистора происходит один раз в два периода синхронизирую­ щих импульсов, т. е. возникает синхронизация при кратном от­ ношении периодов колебаний

синхронизированного и инхронизирующего напряжений. Частота колебании релаксатора в два раза ниже частоты синхронизирую­ щих импульсов, т. е. имеет место режим деления частоты.

Будем называть кратностью синхронизации или коэффициен­ том деления частоты 6 отношение 6 = /г/m, где п — число периодов ГСІШ синхронизирующего на­ пряжения, укладывающихся в одном периоде синхронизиро­ ванного релаксатора Гр; т — число полных или неполных циклов собственных колебаний релаксатора, укладывающихся

Если же и далее уменьшать величину периода Гснв, то мож­

но получить режим кратной синхронизации при большем значении 6. Так, на рис. 7.4 представлен случай синхронизации при кратно­ сти 6 = 5.

Помимо рассмотренных выше режимов синхронизации, при ко­ торых 6 является целым числом, возможны режимы синхрониза­ ции, для которых значение 6 является правильной или неправиль­ ной дробью.

350

Режим синхронизации с дробным отношением частот k > 1 можно получить из обычного режима с целым значением /е при уменьшении амплитуды синхронизирующих импульсов Umcnn. Так, при уменьшении величины ІІт с ни в случае, представленном на рис. 7.2, получим режим, показанный на рис. 7.5. Здесь в одном периоде Гр укладываются пять периодов синхронизирующих импульсов Тсип

(п = 5) или три полных периода собственных колебаний Г0 и один неполный ( т — 4). Таким образом, кратность синхронизации в данном случае оказывается равной 5/4.

Режим синхронизации с дробным отношением частот k < 1 возникает, если величина Гсип выбрана больше периода собствен­

Режимы синхронизации с дробным отношением частот практи­ чески почти не применяются, так как внутри периода Гр колебания релаксатора оказываются несинхронными с внешним напряже­ нием. Однако с такими режимами приходится встречаться при плавном изменении параметров релаксатора (Г0) или синхронизи­ рующих импульсов (Гспи и Um спи) ■Тогда режимы Синхронизации с дробным отношением частот оказываются промежуточными между двумя соседними режимами с целыми значениями k.

351

7.2.3. ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Из приведенного описания режима синхронизации следует, что при изменении параметров Т0, Тсш, и Umcші в небольших пределах кратность синхронизации остается неизменной, а при дальнейшем изменении параметров может наступить ее скачкообразное изме­ нение. Для того чтобы определить область значений параметров, в пределах которых режим синхронизации с данным значением кратности устойчив, удобно воспользоваться графическим мето­ дом. Для получения более простой, хотя и несколько приближен­ ной картины, сделаем некоторые допущения.

Во-первых, будем полагать, что изменение напряжения «с при запертом транзисторе происходит не по экспоненциальному, а по линейному закону. Это допущение хорошо оправдывается при до­ статочно большом прямом смещении на базу транзистора.

Во-вторых, будем полагать, что длительность импульса бло- кинг-генератора и длительность обратного выброса пренебрежимо малы по сравнению с периодом автоколебаний.

Опрокидывание блокинг-генератора происходит в момент вы­ полнения равенства «б = «б а + «сии = £ЛюрДля определения мо­ ментов опрокидывания блокинг-генератора можно воспользоваться одним из двух графических построений. Первое состоит в изобра­ жении графика суммы напряжений «б а + «сип и нахождении пере­ сечения этого графика с горизонтальной осью, проведенной на уровне Ддор. Этот способ использовался выше. Второй способ со­ стоит в графическом изображении разности Unор— ис,ш и нахожде­ нии точек пересечения графика этой разности с временной диаграммой напряжения «баНа рис. 7.7 показаны временные диа­ граммы напряжений «Син, Uiюр — «сип и «ба для случая синхрониза-

352