Пассивная дифференцирующая цепь
Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 2.2. Допустим, что в исходном состоянии сигнала на входе ДЦ нет, конденсатор C разряжен, а на выходных зажимах – режим холостого хода (нагрузки нет).
|
| Рис. 2.2 |
Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной полярности (амплитудой U0 и длительностью τи), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на нем падение напряжения UR. Внутреннее сопротивление источника сигнала примем равным 0. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам, то падение напряжения UR является одновременно выходным сигналом ДЦ Uвыx. Напряжение UC возрастает по экспоненциальному закону, заряд завершается за 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U0, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению.
После окончания входного импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравнению с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя снизу.
Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 2.3).
Возможны два варианта:
1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного импульса, т. е. 3τ < τи; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 2.3, а);
2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τи), поэтому разряд начинается не с −U0, а с уровня UCm, достигнутого при заряде; обратный выброс имеет амплитуду −UCm меньшую, чем входной сигнал (рис. 2.3, б).
Рис. 2.3
Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифференцирования: εд = (3τ /τи)100.
Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Заменим C емкостным сопротивлением XC = 1/(2πfC), убывающим с ростом частоты. R и XC образуютделитель из двух сопротивлений, коэффициент деления которого имеет вид R/(R − jXC). Коэффициент деления делителя совпадает с коэффициентом передачи схемы КU..При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 0, иначе говоря, сигнал со входа схемы на ее выход не проходит. При f → ∞ XC = 0, конденсатор пропускает сигнал со входа на выход без потерь и КU = 1. ДЦ является фильтром высоких частот.
На рис. 2.4 приведена векторная диаграмма тока и напряжений в схеме
|
| Рис. 2.4 |
ДЦ. Вектор UR = Uвыx сонаправлен с вектором тока I, вектор UC отстает от тока по фазе на 90º. Между вектором Uвх, являющимся суммой векторов UR и UC , и вектором Uвых образуется разность фаз Δφ, лежащая в пределах от 0 до 90º. Таким образом, ДЦ является не только ФВЧ, но и фазовращателем (ФВ). Реально имеет смысл использовать схему ДЦ как ФВ только в пределах Δφ = 0…60º, при больших значениях Δφ сигнал существенно уменьшается по амплитуде (так как КU. = cos Δφ).
Наконец, пассивная ДЦ является элементарным звеном задержки. Так как задержка по фазе на 60º соответствует задержке во времени на 1/6 периода T гармонического сигнала, то пассивная дифференцирующая цепь способна задержать гармонический сигнал на Δtз = T/6 = 1/6 f.