Принцип тестирования импульсной характеристики цепи прост: ударьте по ней резким импульсом и посмотрите, что произойдет. Как обычно, в Википедии есть статья, подробно описывающая этот процесс [1]. В ней отмечается, что идеальный импульс – единичный импульс, или дельта-функция Дирака [2] – имеет бесконечно большую высоту и бесконечно малую ширину с площадью под ним, равной единице, поэтому его бесконечно сложно сформировать, что, впрочем, и к лучшему, учитывая влияние, которое он будет оказывать на все – от защитных диодов до скоростей нарастания. К счастью, это всего лишь крайний случай нормального или гауссова распределения, или колоколообразной кривой, создать которую или, по крайней мере, эмулировать немного проще, и в этой статье показано, как.
В реальном мире лучшие испытательные импульсы получают от генераторов сигналов произвольной формы. Более старая технология основана на фильтрации узких прямоугольных импульсов, но если ширина импульса меняется, характеристики фильтра также должны изменяться, чтобы сохранить форму импульса. Подход, подробно описанный ниже, позволяет избежать этой проблемы путем формирования импульсов в виде косинуса, приподнятого на пьедестал (не путать с фильтром «приподнятый косинус»), которые достаточно близки к идеалу, чтобы быть интересными. Но давайте будем честными: простых прямоугольных импульсов, слегка заторможенных, чтобы не иметь проблем со скоростью их нарастания, обычно вполне достаточно.
Создание наших импульсов
Мы создаем наши импульсы, взяв ядро генератора синусоиды на основе сглаженных треугольных импульсов [3] и добавив немного логики и стробирования, чтобы при запуске он вырабатывал одиночные импульсы, которые поднимаются от исходного уровня до своего пика, а затем снова спадают, следуя форме косинусоиды. Основные моменты показаны в схеме на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Простой генератор с некоторой дополнительной логикой при запуске вырабатывает одиночные импульсы. |
Как работает генератор
Ядро генератора почти идентично оригиналу, хотя после перерисовки выглядит по-другому. Его основа – интегратор с триггером Шмитта, где конденсатор C1 заряжается через резисторы R2 и R3 до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет положительного порога, определяемого диодом D3, и полярность выходного напряжения усилителя A1b меняется, вследствие чего C1 начинает разряжаться до отрицательного порога, задаваемого диодом D4. Диоды D1/D2 обеспечивают компенсационную обратную связь для линеаризации кривых заряда/разряда, одновременно компенсируя температурные изменения прямого напряжения диодов D3/D4 (и напряжения питания, хотя это нас здесь не должно волновать). Результирующие треугольные импульсы с выхода усилителя A1a через резистор R7 подаются на диоды D5/D6, которые преобразуют их в приемлемую (ко)синусоиду (общие гармонические искажения меньше 0.5%). Диодные пары должны быть подобраны по прямым напряжениям для поддержания симметрии и минимизации искажений четными гармониками. A2b усиливает сигнал на диодах D5/6 так, чтобы выходной импульс находился в границах шин питания, а термистор Th1 обеспечивает адекватную компенсацию изменений температуры.
Если бы выход усилителя A2a был подключен непосредственно к резистору R1, схема колебалась бы свободно (и мы позволим ей это позже), но сейчас нам нужно, чтобы она стартовала с самой низкой точки, совершила один полный цикл, а затем останавливалась.
В состоянии покоя триггер U2a сброшен, а на выходе A1b высокий уровень, создающий положительное опорное напряжение на диоде D3. (Оно положительное относительно общей внутренней шины, на которой поддерживается половина напряжения питания). Это напряжение инвертируется усилителем A2a и через мультиплексор U1a подается на резистор R1, замыкая цепь отрицательной обратной связи, обеспечивающей стабилизацию на уровне отрицательного опорного напряжения. (Использование мультиплексора 74HC4053 в качестве U1 может показаться расточительством, но другие его секции пригодятся в Части 2).
Когда на вход D триггера U2a приходит импульс запуска (положительный перепад), состояние его выходов изменяется. В результате U1a подключает резистор R1 к выходу A1b (на котором все еще высокий уровень), начиная цикл формирования импульса; обратная связь теперь положительная. По завершении полного цикла уровень выхода A1b снова становится высоким, переключая триггер U2b и сбрасывая U2a, тем самым останавливая цикл и возвращая схему в состояние покоя. Соответствующие осциллограммы показаны на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Осциллограммы некоторых сигналов из схемы на Рисунке 1. |
Сравнение приподнятых косинусов с идеальными импульсами в форме нормального распределения весьма поучительно, и на Рисунке 3 показаны оба. В то время как бóльшие части кривых соответствуют друг другу, нижняя треть или около того не так хороша, хотя ее можно улучшить, добавив некоторые усложнения – но об этом позже.
 |
|
| Рисунок 3. | Сравнение идеальной кривой нормального распределения и приподнятого косинуса – выходного сигнала схемы на Рисунке 1. |
Как упоминалось ранее, и как видно из схемы, схема работает как простой автоколебательный генератор, если работа триггера U2a запрещена путем блокировки его входа запуска и подачи на вход установки низкого логического уровня, чтобы принудительно установить высокий уровень на выходе Q триггера. Теперь мультиплексор U1a подключает выход A1b к резистору R1, и схема колеблется свободно. Помимо того, что это полезная функция, это помогает нам в настройке.
Настройка генератора
Для получения наилучших результатов необходимо выполнить несколько настроек в режиме генератора.
- Подстроечный резистор R3 должен быть установлен так, чтобы обеспечить равные амплитуды треугольных импульсов при максимальной и минимальной настройке потенциометра R2, иначе искажения будут меняться в зависимости от частоты (или ширины импульса). Установите R2 на максимум (самая низкая частота), а R3 на минимум (вправо по схеме), затем измерьте амплитуду на выходе A1. Теперь установите R2 на минимум и отрегулируйте R3 так, чтобы получить ту же амплитуду, что и раньше. (Спасибо Стиву Вудворду за лежащую в основе этого идею).
- Подстроечный резистор R7 определяет величину сигнала, подаваемого на сглаживающие диоды D5/6 и, таким образом, уровень искажений. Предпочтительнее использовать БПФ осциллографа: отрегулируйте R7 так, чтобы минимизировать третью и пятую гармоники. (Седьмая остается практически постоянной). Если такой возможности нет, установите R7 в положение, при котором напряжение на диодах составляет ровно 2/3 от уровня треугольного сигнала. В крайнем случае, можно использовать постоянный резистор 30 кОм, как это было в моей конструкции.
- С помощью подстроечного резистора R9 установите уровень выходного сигнала. Импульсы должны иметь размах от шины до шины, только подрезая кончики остаточных пиков (которые в основном отвечают за эти седьмые гармоники). Не переусердствуйте, иначе начнут увеличиваться третья и пятая гармоники. Это зависит от используемых rail-to-rail операционных усилителей, по крайней мере, для A1b и A2b, и точности разделения шин, определяющей симметрию сигнала.
После настройки в режиме автоколебательного генератора схему можно использовать в качестве генератора с внешним запуском, в которым используются точно такие же настройки, так что каждый импульс будет представлять собой один цикл косинусоиды, смещенный на половину своей амплитуды.
Схема на Рисунке 1 дает представление о конструкции, которая будет подробно описана в Части 2. В качестве операционных усилителей используются микросхемы MCP6022, которые представляют собой сдвоенные 5-вольтовые КМОП устройства с rail-to-rail входами и выходами и входными смещениями менее 500 мкВ. Напряжение питания составляет 5 В, средняя «общая» шина создается другим операционным усилителем, используемым в качестве источника виртуальной земли, который показан на Рисунке 4 вместе с подходящим выходным буфером.
 |
|
| Рисунок 4. | Простая схема для получения «общей» виртуальной земли 2.5 В, а также регулятор выходного уровня и буфер с выходами как для постоянной, так и для переменной составляющих сигнала. |
Конденсатор C1 можно коммутировать для получения нескольких диапазонов, что позволяет использовать схему от частот более 20 кГц (для импульсов длительностью 25 мкс, измеренной по половине их уровня) до сколь угодно низких частот. Тогда необходимо также коммутировать подстроечный резистор R3; см. версию с тремя диапазонами на Рисунке 5. (Самый низкочастотный диапазон, вероятно, не потребует подстройки ВЧ). Хотя параметры треугольных импульсов хороши до частоты порядка 1 МГц, емкость сглаживающих диодов начинает вносить искажения в форму сигналов задолго до этого, по крайней мере, при использовании диодов 1N4148 или подобных им.
 |
|
| Рисунок 5. | Для использования в нескольких диапазонах времязадающий конденсатор C1 должен коммутироваться. Для подстройки высокочастотного отклика в каждом диапазоне сопротивление резистора R3 также должно изменяться. |
Улучшение формы импульса
Теперь о дополнительных сложностях, связанных с улучшением формы импульса. Грубо говоря, верхняя половина желаемого импульса выглядит (ко)синусоидальной, а нижняя – более экспоненциальной, и, если мы хотим добиться лучшего соответствия, эту часть нужно сгладить еще больше. Мы можем сделать это, подключив параллельно диоду D6 последовательную пару диодов Шоттки D7 и D8. Возникающая при этом асимметрия формы сигнала нуждается в коррекции, что требует несколько большего усиления и другой температурной компенсации в буферном каскаде A2b. Эти изменения показаны на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Подключение к D6 пары диодов Шоттки обеспечивает лучшее соответствие желаемой форме кривой, хотя усиление и смещение требуют регулировки. |
В этом режиме резистор R16 устанавливает смещение, а R9A – коэффициент усиления. Три мультиплексора микросхемы U3 будут:
- Подключать к схеме диоды Шоттки D7/8.
- Выбирать компоненты, определяющие усиление и смещение, в соответствии с режимом.
- Закорачивать резистор R8, чтобы подключить термистор непосредственно параллельно резистору R12 и оптимизировать температурную компенсацию нижней половины импульса.
На Рисунке 7 показана форма измененного импульса. Другие диоды или их комбинации могли бы улучшить результат, но и этот вариант кажется достаточно близким к желаемому.
 |
|
| Рисунок 7. | Улучшенная форма импульса, полученная за счет добавлений, показанных на Рисунке 6. |
Чтобы настроить это, отрегулируйте подстроечные резисторы R16 и R9A (которые влияют друг на друга; извините за это) так, чтобы нижняя часть импульса была на уровне 0 В, а пики чуть меньше 5 В. Поскольку верхняя и нижняя половины каждого импульса зависят от разных диодов, их температурные коэффициенты будут немного отличаться. Базовая уровень 0 В теперь стабилен, но высота пика будет немного увеличиваться с температурой.
Продолжение следует…
К настоящему моменту мы, вероятно, уже прошли ту точку, когда проще, дешевле и точнее будет взять микроконтроллер (Arduino? Raspberry Pi?) и добавить ЦАП (или просто использовать выход ШИМ на этих низких частотах), оснастить его таблицами соответствия (вероятно, рассчитанными и отформатированными с помощью Python, как опорные кривые на рисунках в этой статье), а затем озаботиться тем, как получить безразрывное управление частотой повторения и шириной импульсов. Или даже просто купить дешевый генератор сигналов произвольной формы, что является обманом, хотя и практично.
Но это уже совсем другая забава, а мы еще не закончили со своим подходом. В Части 2 будет показано, что еще можно добавить, чтобы мы также могли формировать хорошо работающие ступенчатые функции.
Ссылки
- Импульсная переходная функция
- Дельта-функция
- Nick Cornford. Сглаженные треугольные импульсы: синусоиды, но с зубцами?
Купить CD74HC4053 на РадиоЛоцман.Цены
