CC BY
8
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.6.011 УДК 621.37
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР-МАНИПУЛЯТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ Д.В. Журавлев, М.А. Сиваш, А.С. Костюков, Д.И. Наумов, В.А. Мальцев
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: на основе анализа и исследования известного схемотехнического решения генератора прямоугольных импульсов на RS-триггере был разработан двухканальный генератор-манипулятор прямоугольных импульсов с возможностью манипуляции по амплитуде и по частоте. Описан принцип работы двухканального генератора-манипулятора прямоугольных импульсов и его режимы работы при различных значениях напряжения на выходе управляющих генераторов и различных температурных диапазонах, на основании которого проведены моделирование в САПР Multisim и анализ работы двухканального-генератора манипулятора прямоугольных импульсов. Представлены результаты моделирования в виде графиков, на которых отображена зависимость напряжения на выходе двухка-нального генератора-манипулятора прямоугольных импульсов при изменении уровня напряжения управляющих генераторов. Данный генератор может быть использован в импульсных радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника прямоугольных импульсов, манипулированных по частоте и по амплитуде. Генератор за счёт изменения его конструкции генерирует и одновременно манипулирует по амплитуде и по частоте генерируемую последовательность прямоугольных импульсов. Это расширяет функциональные возможности известного генератора манипулированных по амплитуде прямоугольных импульсов
Ключевые слова: двухканальный генератор, амплитудная манипуляция, частотная манипуляция, асинхронный RS-триггер, МОП-транзисторы, логические элементы
Введение
Генераторы прямоугольных импульсов с возможностью манипуляции по амплитуде и по частоте имеют широкое распространение в различных отраслях техники. Они применяются в радиоприемных устройствах, импульсных радиопередающих устройствах, измерительной технике и т.д. Генератор должен обладать высокими КПД и стабильностью частоты генерации в зависимости от температуры, а также широкой полосой рабочих частот.
Постановка задачи
Известна структура генератора прямоугольных импульсов (рис. 1), описанная в патенте на полезную модель номер 150841 РФ (опубликован 27.02.15. Бюл. № 6, авторы Ше-ховцов Д.В., Мушта А.И., Сальников Д.Н.)
Рис. 1. Структурная схема двухканального генератора прямоугольных импульсов
© Журавлев Д.В., Сиваш М.А., Костюков А.С. Наумов Д.И., Мальцев В.А., 2019
Данный генератор является ближайшим аналогом. Содержит внешний генератор управляющих прямоугольных сигналов, первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ, второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ, первую цепь задержки прохождения сигналов, вторую цепь задержки прохождения сигналов, буферный логический элемент, состоящий из двух последовательно включенных инверторов, выход буферного логического элемента является выходом генератора прямоугольных импульсов, для функционирования генератора прямоугольных импульсов необходим только один внешний генератор управляющих прямоугольных сигналов.
Недостатком известного генератора прямоугольных импульсов является то, что в нём отсутствует функция и возможность осуществления манипуляции по частоте последовательности прямоугольных импульсов.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей известного генератора прямоугольных импульсов.
Техническая реализация
Генератор содержит первый генератор управляющих прямоугольных сигналов, управляющий амплитудой генерируемой импульсной последовательности, первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ, второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ, первую цепь задержки прохождения
сигналов и вторую цепь задержки прохождения сигналов, подключенные к выходам первого и второго логических элементов 2ИЛИ-НЕ соответственно, выходы первой и второй цепей задержки сигналов подключены к второму входу первого и к второму входу второго логических элементов соответственно, подключенный к выходу первой цепи задержки прохождения сигналов буферный логический элемент состоит из двух последовательно включенных первого инвертора и второго инвертора соответственно, выход буферного логического элемента является выходом генератора прямоугольных импульсов, потенциальный выход генератора управляющих прямоугольных сигналов подключен к первым входам первого и второго логических элементов 2ИЛИ-НЕ соответственно, отличающийся тем, что введены второй генератор управляющих прямоугольных импульсов, блок регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, в котором исток и сток первого пМОП транзистора с индуцированным каналом подключены параллельно резистору R10 первой цепи задержки прохождения сигнала, исток и сток второго пМОП транзистора с индуцированным каналом подключены параллельно резистору R13 второй цепи задержки прохождения сигнала, вариация величин параметров элементов первой и второй цепей задержки прохождения сигнала позволяет изменять частоту генерации прямоугольных импульсов в процессе частотной манипуляции прямоугольных импульсов.
Рис. 2. Структурная схема двухканального генератора манипулятора прямоугольных импульсов
Первая цепь задержки прохождения сигнала может быть реализована, в частности, в виде RC-фильтра с использованием конденсаторов С9, С11 и резистора R10. При этом первый вывод резистора R10 соединён с первым выводом конденсатора С9, выходом первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ и истоком
пМОП транзистора (15) с индуцированным каналом блока (7) регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, второй вывод резистора R10 соединён с первым выводом конденсатора С11, входом первого инвертора (17) НЕ и стоком пМОП транзистора (15) с индуцированным каналом, вторые выводы конденсаторов С9, С11 соединены с общей шиной источника питания устройства.
Вторая цепь задержки прохождения сигнала может быть реализована, в частности, в виде RC-фильтра с использованием конденсаторов С12, С14 и резистора R13. При этом первый вывод резистора R13 соединён с первым выводом конденсатора С12, выходом второго логического элемента (3) 2ИЛИ-НЕ и истоком пМОП транзистора (16) с индуцированным каналом, второй вывод резистора R13 соединён с первым выводом конденсатора С14, со стоком пМОП транзистора (16) с индуцированным каналом и вторым входом первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ, вторые выводы конденсаторов С12, С14 соединены с общей шиной нсточннка питания устройства.
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема двухканального генератора-манипулятора прямоугольных импульсов
Рассмотрим процесс амплитудной манипуляции прямоугольных импульсов.
Генератор прямоугольных импульсов работает следующим образом. Из логической схемы асинхронного RS-триггера на логических элементах 2ИЛИ-НЕ следует, что запрещенная комбинация входных сигналов ^к=1, Rk=1) приводит к появлению на его выходах значений Qk=0k=0 (здесь обозначено: О есть НЕ Q). Действительно, Q=НЕ(R+ О)=0, О =НЕ(S+Q)=0. Если теперь на вход асинхронного RS-триггера подать комбинацию Sk=0, Rk=0, соответствующую режиму хранения, то схема
триггера вырождается в бистабильную ячейку, в какое состояние опрокинется ячейка - неизвестно [1]. После первого опрокидывания на выходах Q и О асинхронного RS-триггера устанавливаются одинаковые логические уровни. Далее за счет положительной обратной связи, как в обычном генераторе незатухающих колебаний, в асинхронном RS-триггере возникает колебательный процесс, длительность которого определяется временем, в течение которого Sk=0, Rk=0. В схеме генератора (рис. 1) процесс возникновения колебательного процесса аналогичен описанному выше применительно к асинхронному RS-триггеру. Но в двухканаль-ном генераторе-манипуляторе прямоугольных импульсов, манипулированных по амплитуде и по частоте (рис. 3), первые входы первого и второго логических элементов соединены, поэтому прямоугольные импульсы на выходе генератора прямоугольных импульсов генерируются при перепаде 1 ^ 0 логического напряжения на выходе генератора (1) управляющих прямоугольных сигналов, генерация прямоугольных импульсов продолжается в течение времени наличия на выходе генератора (1) управляющих прямоугольных сигналов напряжения логического нуля, генерация прямоугольных импульсов прекращается при перепаде 0 логического напряжения на выходе генератора (1) управляющих прямоугольных сигналов.
Рассмотрим процесс частотной манипуляции прямоугольных импульсов.
Период (Т) времени одного полного цикла прохождения прямоугольного импульса в заявленном генераторе включает в себя время
Т = Д^ + ДЬ2 + Д1з + Д^, (1)
где Дtl— время прохождения через первый логический элемент (2) 2ИЛИ-НЕ сигнала, поступившего от первого внешнего генератора управляющих прямоугольных сигналов (1) на первый вход первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ; Дt2— время прохождения сигнала через первую цепь задержки сигнала (4); Д^— время прохождения через второй логический элемент (3) 2ИЛИ-НЕ сигнала, поступившего с выхода первой цепи задержки сигнала (4) на второй вход второго логического элемента (3) 2ИЛИ-НЕ; Д14— время прохождения сигнала через вторую цепь задержки сигнала (5) до второго входа первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ.
Исток и сток первого пМОП транзистора (15) с индуцированным каналом подключен параллельно резистору R10 первой цепи за-
держки прохождения сигнала. Исток и сток второго пМОП транзистора (16) с индуцированным каналом подключен параллельно резистору R13 второй цепи задержки прохождения сигнала.
Сопротивление Rvт МОП транзистора с индуцированным каналом в зависимости от управляющего напряжения ивх может принимать два значения: RvT=RнaCЫщения^0, если МОП транзистор включен (находится в режиме насыщения), и RvT=Rзаперт^да, если МОП транзистор выключен (заперт) [2]. Второй генератор управляющих прямоугольных сигналов (8) при перепадах 0 ^ 1 или 1 ^ 0 логического напряжения на его выходе изменяет значение сопротивления канала сток-исток RvT МОП транзисторов с индуцированными канала в зависимости от управляющего напряжения ивх. Сопротивление RvT включено параллельно резистору R10 первой цепи задержки прохождения сигнала, такое же сопротивление RvT включено параллельно резистору R13 второй цепи задержки прохождения сигнала. Поэтому изменяется величина эквивалентных сопротивлений Rlэкв между узлами: первый вывод конденсатора С9, первый вывод конденсатора С11 первой цепи задержки прохождения сигнала и R2ЭкB между узлами: первый вывод конденсатора С12, первый вывод конденсатора С14 второй цепи задержки прохождения сигнала. Это приводит к изменению интервалов времени Дt2, Д^, поэтому изменяется период одного полного цикла прохождения прямоугольного сигнала в генераторе, вариация величин параметров элементов первой и второй цепей задержки прохождения сигнала позволяет изменять частоту генерации прямоугольных импульсов, в итоге реализуется частотная манипуляция.
Частотную манипуляцию характеризуют две генерируемые последовательности прямоугольных импульсов с частотами ^ и f2. Последовательность прямоугольных импульсов с частотой ^ генерируется при перепаде 0 ^ 1 логического напряжения на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов, генерация прямоугольных импульсов с частотой ^ продолжается в течение времени наличия на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов напряжения логической единицы. Последовательность прямоугольных импульсов с частотой ^ генерируется при перепаде 1 ^ 0 логического напряжения на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов, генерация прямоугольных импульсов с частотой ^ продолжает-
ся в течение времени наличия на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов напряжения логического нуля, генерация прямоугольных импульсов с частотой f2 прекращается при перепаде 0 ^ 1 логического напряжения на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов, изменения частот генерации прямоугольных импульсов с ^ на ^ и с ^ на ^ осуществляется без разрыва фазы колебаний, частоты генерации прямоугольных импульсов ^ и f2 связаны неравенством
^2. (2)
Проведено моделирование полезной модели: двухканальный генератор - манипулятор прямоугольных импульсов.
Функциональная схема генератора на логических элементах 2ИЛИ-НЕ 74 серии с использованием пМОП транзисторов с индуцированными каналами в конструкции генератора представлена на рис. 2. При этом использованы следующие элементы: первый генератор (1) управляющих сигналов, первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ (2), второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ (3), первая цепь задержки прохождения сигналов (5), реализованная в виде П-образного RC-фильтра и содержащая конденсаторы С9, С11 и резистор R10; вторая цепь задержки прохождения сигналов (4), реализованная в виде П-образного RC-фильтра и содержащая конденсаторы С12, С14 и резистор
R13; буферный логический элемент (6), реализованный первым (17) и вторым (18) инверторами соответственно; блок (7) регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, реализованный в виде первого (15) и второго
(16) пМОП транзисторов, второй генератор управляющих импульсов (8).
Электрическая схема генератора прямоугольных импульсов, манипулированных по амплитуде и по частоте, на логических элементах 2ИЛИ-НЕ с использованием пМОП транзисторов в конструкции генератора представлена на рис. 3, на которой указаны типы использованных первого (1) и второго (19) генераторов управляющих импульсов, первого (2) и второго (3) логических элементов 2ИЛИ-НЕ, первого
(17) и второго (18) инверторов буферного логического элемента (6), параметры индуцированных каналов первого (15) и второго (16) пМОП транзисторов, номиналы параметров элементов цепей задержки прохождения сигналов.
В качестве примера заданы частоты первого (1) и второго (19) управляющих генераторов: 40 кГц и 400 кГц соответственно. Временная диаграмма работы генератора в режиме амплитудной манипуляции приведена на рис. 4. Временные диаграммы работы генератора в режиме и по амплитуде, и по частоте при вариации температуры в интервале: а) -40оС, б) +27оС, в) +125оС приведены на рис. 5.
Ыремн (с}
Рис. 4. Временная диаграмма работы генератора в режиме амплитудной манипуляции
Рис. 5. Временные диаграммы работы генератора в режиме и по амплитуде, и по частоте при вариации температуры
Результаты анализа стабильности манипу-лированных по частоте генерируемых колебаний с частотами £ и f2 при изменении температуры окружающей среды в интервале от -40оС до +125оС приведены в табл. 1.
Таблица
Т, оС Ъ, МГц 4 МГц q2
-40 47.5946 9.1 • 10-3 43.1785 0
+27 48.0319 0 43.1785 0
+125 48.2635 4.8 • 10-3 43.1785 0
Относительная нестабильность частоты генерации £2 практически отсутствует. Это объясняется тем, что сопротивление RvT МОП транзистора с индуцированным каналом RvT = Rзаперт^■да, если МОП транзистор выключен (заперт) [2].
Относительная нестабильность частоты генерации £1 в зависимости от температуры лежит в пределах от 9.1 • 10-3 до 4.8 • 10-3. Это объясняется влиянием нестабильности параметров Сзат1 - емкость затвора и эквивалентного сопротивления 21экв выходной цепи пМОП транзистора 015, содержащей ^ - внутреннее сопротивление, Сси1 - емкость сток-исток, а также параметров Сзат2 - емкость затвора и эквивалентного сопротивления 22экв выходной цепи пМОП транзистора 016, содержащей, -внутреннее сопротивление, Сси2 - емкость сток-исток. Для снижения нестабильности генерируемой частоты £ выбирать транзисторы 015, 016 с малыми значениями емкости затвора Сзат1 и емкости затвора Сзат2, а также емкости сток-исток Сси1 и Сси2 транзисторов 015, 016 соответственно.
Результаты анализа стабильности генерируемых колебаний, манипулированных по ча-
стоте, при изменении напряжения источника питания устройства приведены в табл. 2.
Таблица 2
Е, В Ъ, МГц 4 МГц q2
4.25 48.0319 0 43.1785 0
5.00 48.0319 0 43.1785 0
5.75 48.0319 0 43.1785 0
Из табл. 2 следует, что пятнадцатипроцентное изменение напряжения питания устройства не влечёт за собой изменений стабильности генерируемых колебаний, манипу-лированных по частоте.
Заключение
Таким образом, заявленный генератор за счёт изменения его конструкции генерирует и одновременно манипулирует по амплитуде и по частоте генерируемую последовательность прямоугольных импульсов. Это расширяет функциональные возможности известного генератора манипулированных по амплитуде прямоугольных импульсов. По результатам моделирования относительная нестабильность частоты генерации £1 в зависимости от температуры лежит в пределах от 9.1 • 10-3 до 4.8 • 10-3.
Генератор может быть использован и для реализации манипуляции последовательности прямоугольных импульсов только по одному параметру: либо по амплитуде, либо по частоте.
Литература
1. Новожилов О.П. Основы цифровой техники: учеб. пособие. М.: Издательское предприятие «РадиоСофт», 2004. С. 202.
2. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электрони- Гуров; под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1996. С. ка: учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. 410.
Поступила 21.11.2019; принята к публикации 11.12.2019 Информация об авторах
Журавлёв Дмитрий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: ddom@bk.ru
Сиваш Михаил Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: sivmikha@yandex.ru
Костюков Александр Сергеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: stalkerklon@mail.ru
Наумов Даниил Игоревич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: dan4ik19naumov@gmail.com
Мальцев Владислав Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: m.vlad2148@yandex.ru
DOUBLE-CHANNEL GENERATOR-MANIPULATOR OF RECTANGULAR PULSE D.V. Zhuravlev, M.A. Sivash, A.S. Kostyukov, D.I. Naumov, V.A. Mal'tsev Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: based on the analysis and research of the well-known circuitry of a rectangular pulse generator on the RS-trigger, a double-channel rectangular pulse manipulator-generator was developed with the ability to manipulate in amplitude and frequency. The principle of operation of a two-channel generator of the manipulator of rectangular pulses and its modes of operation at different voltage values at the output of the control generators and various temperature ranges are described, on the basis of which simulation in CAD Multisim and analysis of the work of a two-channel generator of the manipulator of rectangular pulses are carried out. The simulation results are presented in the form of graphs showing the dependence of the voltage at the output of a two-channel generator-manipulator of rectangular pulses when the voltage level of the control generators changes. This generator can be used in pulsed radio transmitting devices, in measuring equipment as a source of rectangular pulses, manipulated in frequency and amplitude. The generator, by changing its design, generates and simultaneously manipulates in amplitude and frequency the generated sequence of rectangular pulses. This extends the functionality of the well-known generator of amplitude-manipulated rectangular pulses
Key words: double-channel generator, amplitude-shift keying, frequency-shift keying, asynchronous RS-trigger, MOS transistors, logic elements
References
1. Novozhilov O.P. "Basics of digital technology. Manual" ("Osnovy tsifrovoy tekhniki: ucheb. posobie"), Moscow, Radio-Soft, 2004, 528 p.
2. Opadchiy Yu.F., Gludkin O.P., Gurov A.I., ed. Gludkina O.P. "Analog and digital electronics: textbook" ("Analogovaya i tsifrovaya elektronika: uchebnik dlya vuzov"), Moscow, Radio i svyaz', 1996, 768 p.
Submitted 21.11.2019; revised 11.12.2019 Information about the authors
Dmitriy V. Zhuravlev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: ddom@bk.ru
Mikhail A. Sivash, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: sivmikha@yandex.ru
Aleksandr S. Kostyukov, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: stalkerklon@mail.ru
Daniil I. Naumov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: dan4ik19naumov@gmail.com
Vladislav A. Mal'tsev, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: m.vlad2148@yandex.ru
