В первой части этой статьи [1] мы рассмотрели, как управлять генератором для формирования хорошо работающих импульсов. Теперь мы узнаем, как распространить эту идею на получение хорошо работающих ступенчатых функций или хорошо сглаженных прямоугольных импульсов.
Идеалом, к которому мы здесь будем стремиться, является функция Хевисайда или единичная ступенчатая функция [2], которая имеет значения 0 или 1 с бесконечно резким переходом между ними. Подобно тому, как дельта-импульс Дирака, с которым мы познакомились в Части 1, является предельным случаем нормального распределения или колоколообразной кривой, Хевисайд – это предел логистической функции, (которую, как я понимаю, логисты используют примерно так же часто, как сантехники – U-образные кривые) [3]. (U-образная кривая – по-английски «bathtub curve»; в то же время bathtub – это «ванна», ред.)
Прямоугольные импульсы со сглаженными фронтами
Любой, кто работает с аудиоаппаратурой, наверняка использовал тестирование ее прямоугольными импульсами с бесконечностью, укрощенной RC постоянной времени, что достаточно хорошо для повседневного использования, но другой подход состоит в том, чтобы заменить эту все еще резкую ступеньку частью косинусоидального импульса. Если взять схему из Части 1 и добавить немного стробирования, то вместо формирования по каждому импульсу запуска полного импульса приподнятого косинуса мы на каждом переходе получим полуцикл с чередующимися полярностями. Результатом будут прямоугольные импульсы с половинной частотой запуска и с плавными фронтами. Измененная схема показана на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Дополнительная логика, добавленная к исходной схеме, на каждый импульс запуска теперь дает половину косинуса с чередующейся полярностью, формируя прямоугольные импульсы со сглаженными фронтами. |
В режимах одиночного импульса или автоколебательного генератора мультиплексор U1b обеспечивает сброс триггера U2 всякий раз, когда уровень выходного сигнала усилителя A1b становится высоким, что дает полный цикл приподнятого косинуса. В режиме прямоугольных импульсов U2 сбрасывается в середине полуцикла при каждом изменении на выходе A1b, независимо от полярности. Мультиплексор U1b и вентили U3b/U3c действуют как стробируемый элемент «исключающее ИЛИ» с задержками на одном из выводов для формирования импульса сброса. Формы некоторых сигналов показаны на Рисунке 2; сравните их с сигналами на Рисунке 2 из Части 1. Как и прежде, усилитель A2 блокируется при выборе режима генератора, позволяя свободно работать генератору синусоиды.
 |
|
| Рисунок 2. | Некоторые осциллограммы из схемы на Рисунке 1. |
На Рисунке 3 показан одиночный положительный переход и для сравнения приведена наша целевая кривая. Это оба теоретических графика, но фактический выходной сигнал очень близок к косинусоиде.
 |
|
| Рисунок 3. | Целевая ступенчатая функция представляет собой логистическую кривую; для сравнения показан отрезок косинуса. |
В Части 1 мы попытались приблизиться к кривой нормального распределения, немного сжав наши треугольные импульсы. Это работало до определенного момента, но было чрезмерно сложным, отчасти из-за отсутствия симметрии формы импульса. Теперь у нас есть симметричная функция, к которой нужно стремиться, и которую должно быть легче эмулировать.
Построение целевой кривой
Неиспользованная секция мультиплексора U1 вместе с тремя новыми резисторами предлагает изящное решение, и фрагмент схемы на Рисунке 4 показывает, как это сделать.
 |
|
| Рисунок 4. | Добавление компонентов, выделенных красным цветом, дает гораздо лучшее соответствие нашей целевой кривой. Амплитуда треугольных импульсов увеличилась, и теперь их можно сгладить еще больше. |
Последовательное подключение резистора 47 кОм (R14) к диодам D3/4 увеличивает уровни порогов срабатывания, так что теперь треугольные импульсы имеют размах приблизительно в 4.3 В, а не 1.1 В. Увеличение сигнала, подаваемого на диоды D5/6 через резистор R7, приводит к тому, что диоды не столько сжимают треугольник в (ко)синус, сколько превращают его в нечто гораздо более прямоугольное, хотя и с большей амплитудой. Резисторы R24 и R25, подключенные параллельно диодам D7/8 (см. Рисунок 6 в Части 1), снижают напряжение на диодах, так что пики, которые теперь представляют собой плавные кривые, обрезаются на выходе rail-to-rail усилителя A2b. (Резистивная нагрузка диодов D7/8 немного смягчает их отклик, что также помогает).
U1c выполняет две задачи. Когда необходимо генерировать импульсы или непрерывную синусоиду, мультиплексор закорачивает резистор R14 и отрывает R24, обеспечивая стандартные условия работы, но в режиме прямоугольных импульсов R14 остается в схеме, а R24 заземляется, что необходимо для увеличения амплитуды треугольных импульсов и сжатия.
Теперь осциллограммы выглядят как на Рисунке 5 (обратите внимание на изменение масштаба для кривой C), в то время как на Рисунке 6 показан один фактический фронт импульса с теоретической идеальной ступенькой для сравнения – и теперь совпадение очень хорошее.
 |
|
| Рисунок 5. | Осциллограммы сигналов после добавления режимов, показанных на Рисунке 4. |
Здесь есть некоторая подтасовка, так как обе кривые на Рисунке 6 были скорректированы для выравнивая наклона в точке половинной высоты. Поскольку резисторы R24/R25 уменьшают амплитуду сигнала на диодах почти на 12%, наклон также будет намного меньше, чем в варианте косинуса, что не является практической проблемой.
 |
|
| Рисунок 6. | Сравнение целевой кривой с частью осциллограммы D на Рисунке 5. |
Окончательная схема
Чтобы превратить все это в функциональный набор, готовый к тестированию аудио, нам нужно добавить несколько дополнительных функций:
- Источник виртуальной земли для получения средней общей шины.
- Регулятор уровня с выходным буфером.
- Простой генератор для создания импульсов запуска с входом, позволяющим внешнему сигналу ТТЛ иметь приоритет над внутренним сигналом.
- Переключатель выбора режимов.
Собрав все это воедино, мы получаем полную и, по всей видимости, окончательную схему, изображенную на Рисунке 7. Можно легко охватить несколько диапазонов, добавив дополнительные элементы, подробно описанные в Части 1, Рисунок 5. Можно также добавить модифицированную схему улучшения формы импульсов, показанную в Части 1 на Рисунке 6, но это может оказаться более сложным, чем того стоит.
 |
|
| Рисунок 7. | Полная схема, которая теперь вырабатывает прямоугольные импульсы с хорошо сформированными фронтами, а также импульсы и непрерывные синусоиды. |
Номера выводов на схеме не указаны преднамеренно, поскольку их наличие подразумевало бы существование оптимизированной разводки. Следите за тем, чтобы логические сигналы не оказывались близко к аналоговым, особенно на заземленном конце резистора R24 и возле него, который в отключенном состоянии может улавливать коммутационные помехи. На входах /E (вывод 6) и VEE (вывод 7) мультиплексора U1 должен быть потенциал 0 В.
Хотя этот подход к формированию красивых импульсов нужной формы, возможно, более интересен, чем точен, он показывает, что сглаживание треугольников с помощью диодов не ограничивается генерацией синусоид, что и послужило отправной точкой для этой идеи. Для чего-то более сложного генератор сигналов произвольной формы, вероятно, будет лучшим решением, хотя и менее интересным.
Ссылки
- Nick Cornford. Как контролировать свои импульсы. Часть 1 – Дельта-функция
- Функция Хевисайда
- Bathtub curve
Купить CD74HC4053 на РадиоЛоцман.Цены
