пробовать в цепь питания каскада низкого уровня поставить стабилитрон или трехвыводпой стабилизатор для дополнительной развязки.

7.23. Межприборное заземление

Идея главной точки заземления внутри одного прибора хороша, но что делать, если сигнал идет из одного прибора в другой и у каждого из них свое представление о земле ? Вот несколько предложений.

Сигналы высокого уровня. Если сигналы имеют напряжение несколько вольт или это логические сигналы большой амплитуды, то просто соедините то, что

.1-100 мВ

нужно, и забудьте об этом (рис. 7.52). Источник напряжения, обозначенный между двумя заземлениями, представляет собой разность потенциалов между двумя разными выводами линий питания в одной и Рнс. 7.52, той же комнате или (что

хуже) в разных комнатах здания. Эта разность потенциалов состоит частично из напряжения, наведенного от сети, гармоник частоты сети, радиочастотных сигналов (силовые линии питания - хорошая антенна), разных всплесков и прочего мусора . Если ваши сигналы достаточно велики, то со всем этим можно жить.

Малые сигналы и длинные линии. Для малых сигналов такая ситуация нетерпима, и вам придется сделать некоторые усилия для ее улучшения. Несколько идей для этой цели содержит рис. 7.53. На первой схеме коаксиальный экранированный кабель присоединен к корпусу и схемному заземлению источника сигнала, но изолирован от корпуса приемника (используйте изолированный разъем BNC, Bendix 4890-1 или Amphenol 31-10). Благодаря использованию дифференциального усилителя для восприятия сигнала подавляется синфазный сигнал в цепи заземления, выделяющейся на экране. Полезно также подключить резистор и шунтирующий конденсатор на землю для ограничения сдвига напряжения заземления и предупреждения повреждений входного каскада.

Во второй схеме используется экранированная витая пара, экран которой присоединен к корпусу на обоих концах. Это не опасно, поскольку по экрану сигнал не идет*. Дифференциальный усилитель используется на приемном конце, как и раньше. Если передается ло

1) Но замыкается ток синфазной помехи,- Прим, ред.

гический сигнал, то имеет смысл передавать дифференциальный сигнал (сигнал и его инверсию), как показано на рисунке. Во входных каскадах приемной стороны можно применять обычные дифференциальные усилители или, если очень сильны помехи от земли, специальные изолированные усилители, которые выпускаются фирмами

. гемля

4г Корпус

- схемная земля

Рис. 7.53. Цепи зазе.млеиия с экранированными кабелями для сигналов низкого уровня.

Analog Devices и Burr Brown. Последние могут работать при киловольт-ных синфазных сигналах. Также работают оптоэлектронные изолирующие модули - в некоторых случаях удобное решение для передачи цифровых сигналов.

На радиочастотах подходящий способ подавления синфазного сигнала на приемном конце дает трансформаторная связь; она также облегчает получение дифференциального биполярного сигнала на передающем конце. Трансформаторы также популярны в звуковой аппаратуре, хотя они громоздки и ведут к некоторому искажению сигнала.

Для очень длинных кабельных линий (измеряемых милями) по-lesHO принять меры против больших токов в экранах на радиочастотах. Способ достижения показан на рис. 7.54. Как и выше, дифференциальный усилитель работает с витой парой и на него н'е влияет напряжение экрана. Путем связи экрана через небольшую катушку

индуктивности с корпусом удается сохранить малым напряжение постоянного тока, а большие радиочастотные токи исключить. На этой схеме показана также защита от выхода синфазного напряжения за пределы ±10 В.

На рис. 7.55 показана хорошая схема защиты многопроводного кабеля,в котором требуется исключить синфазные наводки.Так как у всех сигналов эта наводка одна и та же, то единственный провод, подключенный к земле на передающем конце, служит для компенсации синфазных сигналов во всех п проводах сиг- нала. Просто этот сигнал считывается по отношению к земле на приемном конце и используется как опорный входной сигнал для всех п дифференциальных усилителей, работающих с остальными сигналами. Приведенные схемы хо-

БЧили . малый ре г зистор

-15 В

Рис. 7.54. Схема защиты входа приемника сигналов с очень длинной линии.

рошо подавляют синфазные помехи на низких и средних частотах, но против радиочастотных помех они могут оказаться неэф-

Смгна-лы

- Множество витюс проводов, щш обилия

Лсилишелй

Рис. 7.55, Подавление синфазной помехи при пользовании длинным многожильиЫМ кабелем,

Глша 7

фективны из-за низкого КОСС в приемном дифференциальном усилителе. Здесь одной из возможностей оказывается закрутка кабеля целиком вокруг ферритового тора (рис. 7.56). Это увеличивает последовательную индуктивность кабеля в целом, повышая

полное сопротивление синфаз-

Ферритовый тор

Дуфф. пара Б экране

Трансформадор

ному сигналу на высокой частоте и облегчая возможность шунтирования его на дальнем конце парой параллельных конденсаторов на землю. Эквивалентная схема показывает, почему это происходит без ослабления дифференциального сигнала: у вас есть последовательйые индуктивности, включенные в сигнальные линии, и экран, но, так как они образуют трансформатор с единичным отношением числа витков, дифференциальный сигнал не изменяется. Это есть на самом деле 1 : 1 продольный трансформатор , описываемый в разд. 13.10.

Плавающий ниточник сигнала. Та же несогласованность напряжений заземления в разных местах проявляется еще более серьезным образом на входах низкого уровня, поскольку там сигналы очень малы.

МилпиБольто-вый сигнап Dm головни магнитофона

Рис. 7.56.

Рис. 7.57,

Примером является головка магнитофона или другой источник сигнала, для которого нужна экранированная сигнальная линия. Если заземлить экран на обоих концах, то разность напряжений заземления появится в качестве сигнала на входе усилителя. Лучше всего отделить экран от заземления в источнике (рис. 7.57).

Защита сигнала.К этому вопросу тесно примыкает защита сигнала - изящный способ уменьшить эффекты входной емкости и утечки при малых сигналах и большом полном сопротивлении. Если вы работаете с сигналами от микроэлектродов или емкостных датчиков с внутренним полным сопротивлением в сотни мегаом, то даже вход-

ная емкость в несколько пикофарад может в этом случае совместно с этим полным сопротивлением образовать фильтр нижних частот со спадом, начинающимся с нескольких герц! К тому же конечное значение сопротивления изоляции в соединительном кабеле легко может испортить рабочие параметры усилителя со сверхнизким током входного сигнала (ток смещения меньние пикоампера) за счет утечек. Обе эти проблемы решаются путем использования защитного электрода (рис. 7.58).

Малые

Малое Zr

источник сигнала

с БЫСО-? КИМ

ф- Защита

Рис. 7.58. Применение защитного электрода экрана для увеличения входного полного сопротивления.

Внутренний экран соединен с повторителем, что эффективно исключает токи и резистивных, и емкостных утечек за счет нулевой разности потенциалов между сигнальным проводом и его окружением. Внешний заземленный экран предохраняет от помех защитный электрод; не доставляет хлопот работа повторителя на емкость и утечку между экранами, поскольку у повторителя малое полное выходное сопротивление.

Не следует применять этот прием чаще, чем это необходимо; имеет смысл ставить повторитель возможно ближе к источнику сигнала, защищая лишь небольшой отрезок кабеля, соединяющий повторитель и источник. Передавать сигнал после повторителя с его низким выходным полным сопротивлением к отдаленному усилителю можно и по обычному экранированному кабелю. Защиту сигнала мы рассмотрим в разд. 14.08 в связи с микроэлектродами, имеющими большое полное сопротивление.

Влияние на выходные сигналы. Как правило, выходное сопротивление ОУ настолько мало, что не надо заботиться о емкостном влиянии на сигнал. Тем не менее в случае наличия высокочастотной или быстропереключающейся помехи основание для беспокойства существует, особенно если от выходного сигнала требуется более или менее приличная точность. Рассмотрим пример на рис. 7.59. Прецизионный сигнал усиливается с помощью ОУ и проходит через область пространства, содержащую логические элементы с сигналами, дискретно изме- няющимися со скоростью нарастания 0,5 В/нс. Выходное полное сопротивление замкнутого ОУ повышается с частотой, достигая значений от 10 до 100 Ом на частоте 1 МГц (см. разд. 7.07). Какова наибольшая допустимая паразитная емкость связи, если влияние помехи должно

быть меньше разрешения аналогового сигнала 0,1 мВ? Удивительный ответ - 0,02 пФ.

Есть несколько решений этого вопроса. Лучше всего держать ваш маленький аналоговый сигнал подальше от скопления быстропере-ключающихся сигналов. Средней величины конденсатор, шунтирующий выход ОУ (возможно, с небольшим последовательным резистором

Логический

сигнал Шина

1-1 2,ь В логического -J LnR -сигнала

/ , Сигнап 16, т тпочносш!) 0,1 т

12-раз-

рядного ДАПа

Рис. 7.59. Схема образования помех от цифровых схем в аналоговом сигнале.

для обеспечения устойчивости ОУ), исправит положение, хотя и снизит скорость нарастания. Грубо говоря, конденсатор снижает частоту воспринимаемых помех до такого значения, при котором обратная связь усилителя способна их подавить. Несколько сот пикофарад на землю придадут достаточную устойчивость аналоговому сигналу высокой частоты (представьте себе емкостный делитель напряжения). Еще одна возможность - применение буферного усилителя с низким полным выходным сопротивлением* такого, как 1438 или LH0063. Не пренебрегайте также возможностью использовать экранирование, витые пары и близость к платам заземления для уменьшения влияний

СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ

7.24. Удачные схемы

На рис. 7.60 представлены некоторые идеи построения схем, имеющие отношение к теме данной главы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

(1). Докажите, что С/Ш =10 Ig (ии/4йГ/?и)-КШ (дБ) (при Ри).

(2). Синусоидальный сигнал 100 кГц с эффективным напряжением 10 мкВ проходит

через резистор 1 МОм при комнатной температуре. Какое будет отношение сигнал/шум

; I) Авторы упустили очень важный и часто применяемый прием - передачу сигналов тока, а не напряжениях Прим, ред.

Удачные схемы

Фильтр -IS ГЦ

Вход 3

Инвергаирцющий усилитель

Рис. 7.60.

о -схема измерения напряжения сдвига; б -схема измерения иизкочастотиого шума; в - схема измерения времени установления; г - схема для работы па большие ечкостные нагрузки. 5 -схемы защиты от помех входов сигиалов низкого уровня с высоким Z. iR нои веисирует выходное сопротивление источника).

в полученном в результате сигнале (а) в полосе шириной 10 кГц с центром на частоте 100 кГц? (б) В полосе частот от О до 10 МГц?

(3). Транзисторный усилитель, в котором применен 2N4250, работает при токе коллектора 100 мкА и Возбуждается источником сигнала с полным сопротивлением 2000 0м. (а) Найдите коэффициент шума при 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц. (б) Найдите отношение сиг-иал/шум на каждой из названных частот для входного сигнала 50 нВ (среднеквадратичное) и полосы пропускания усилителя 10 Гц.

(4). Были произведены измерения на промышленном усилителе с целью определить его эквивалентный шум ш и (ц, при частоте 1 кГц (Zbx= 1 МОм). Выходной сигнал

0,01 мкФ

ком

Рнс. 7.61.

; - генератор шума равной плотности от 0.1 Гц до 10 МГц; 2 - осредняющий вольтметр переменного тока (равномерность в интервале от 1 0 Гц до 1 МГц).

усилителя был пропущен через фильтр с крутым спадом частотной характеристики и полосой пропускания шириной 100 Гц, и входной сигнал 10 мкВ дал выходной сигнал 0,1 В. При таком уровне вклад шума усилителя пренебрежимо мал. При закороченном входе среднеквадратичное напряжение шумов на выходе равно 0,4 мВ. При разомкнутом входе выходной шум возрастает до 50 мВ эфф. (а) Найдите и ( , для этого усилителя на частоте 1 кГц. (б) Найдите коэффициент шума этого усилителя на частоте 1кГц при значениях сопротивления источника 100 Ом, 10 кОм и 100 кОм. (5). На некотором усилителе производились измерения с помощью калиброванного источника шума с выходным полным сопротивлением 50 Ом. Выход генератора должен был быть увеличен до 2 нВ/Гц/г для удвоения мощности выходного шума усилителя. Каков коэффициент шума при сопротивлении источника 50 Ом? (6). Напряжение выходного шума у генератора белого шума измеряется с помощью схемы, показанной на рис. 7.61. При некотором уровне выходного сигнала генератора вольтметр переменного тока показывает 1,5 В эфф. Какова плотность шума (среднеквадратичная, в вольтах на корень из герца) на выходе генератора?

Глава 8

ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ

ОСНОВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ 8.01. Цифровые и аналоговые сигналы

До сих пор мы рассматривали главным образом схемы, входные и выходные напряжения которых могли изменяться в определенном диапазоне значений: 7?С-цепи, интеграторы, выпрямители, усилители и т. п. Это естественно, когда сигналы, с которыми приходится иметь дело, либо являются непрерывными по самой своей природе (например, звуковые), либо представляют собой непрерывно меняющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры или обнаружения светового излучения, биологических или химических зондов и т. п.).

Однако входной сигнал по своей природе может быть и чисто дискретным, например импульсы в детекторе частиц или биты информации, поступающие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях естественно и удобно использовать цифровую электронику, т. е. схемы, которые имеют дело с информацР1ей, представленной в виде единиц или нулей . Кроме того, для того чтобы непрерывную (аналоговую) информацию можно было обрабатывать на ЭВМ или хранить в виде чисел, ее необходимо преобразовать в цифровую форму и наоборот при помощи цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП)-преобразователей. Характерным примером может служить ситуация, в которой микропроцессор или ЭВМ воспринимает сигналы от экспериментальной или промышленной установки, на основе полученных данных управляет параметрами эксперимента и хранит полученные результаты для последующего Использования в процессе эксперимента.

Другим интересным примером, демонстрирующим возможности цифровых методов, является передача аналоговых сигналов без искажений, связанных с воздействием помех. Так, например, звуковые и' видеосигналы, передаваемые по кабелю или с помощью радиоволн, воспринимают шум , который потом нельзя отделить от полезного сигнала. Если же передаваемый сигнал преобразовать в ряд чисел, определяющих его амплитуду в последовательные моменты времени, а затем эти числа передавать в виде цифровых сигналов, то аналоговый сигнал, восстановленный на приемной стороне (с помощью ЦАП), не будет содержать ошибох, если, конечно, уровень шума в канале связи не настолько высол, чтобы помешать правильному распознаванию единиц и нулей . Этот метод, известный под названием импульс-но-кодовой модуляции (ИКМ), особенно эффективен в том случае, когда

эта сигнальная линия использует положитель-

Um замкнут ную логику и наоборот. Пример отрицательной логики показан на рис. 8,1. Когда состояние КЛЮЧ ЗАМКНУТ истинно, выход имеет НИЗКИЙ уровень. Таким образом, выходной сигнал соответствует отрицательной логике

р„(. 8.1, (более правильным было бы название нулевая

логика , поскольку отрицательное напряжение в схеме отсутствует) и может быть обозначен, как показано на рисунке. (Черта) над символом означает операцию НЕ, т. е, данная линия имеет ВЫСОКИЙ уровень, когда ключ не замкнут.) Запомните, что наличие или отсутствие черты отрицания над обозначением говорит о

сигнал должен проходить через ряд ретрансляторов, как, например, при межконтинентальной телефонной связи, поскольку восстановление цифрового сигнала в каждом пункте ретрансляции гарантирует помехоустойчивую передачу С помощью ИКМ космические зонды передают на землю данные и изображения.

Возможности цифровой аппаратуры настолько велики, что задачи, предназначенные, казалось бы, исключительно для аналоговых методов, зачастую гораздо лучше решаются цифровым путем, Например, в аналоговом измерителе температуры можно установить микропроцессор и память и в результате этого повысить точность измерений за счет компенсации нелинейности прибора. Подобные применения микропроцессоров ввиду их широкой доступности стали обычным делом. Однако вместо того, чтобы пытаться перечислить все случаи, где может применяться цифровая электроника, перейдем лучше к ее изучению, в процессе которого примеры будут возникать сами собой.

8.02. Логические состояния

Под цифровой электроникой мы имеем в виду такие схемы, для каждой точки которых можно определить, как правило, только два состояния, например транзистор может быть либо закрыт, либо насыщен. Обычно в качестве параметра выбирают не ток, а напряжение, уровень которого может быть ВЫСОКИМ или НИЗКИМ. Эти два состояния могут представлять различные биты (binary digits - двоичные разряды) информации, например, следующим образом: один бит числа: ключ замкнут или разомкнут, сигнал присутствует или отсутствует, уровень аналогового сигнала выше или ниже заданного предела, некоторое событие произошло или не произошло, требуется или не требуется выполнять некоторые действия и т. п.

Высокий и низкий уровни. Состояния высокого и НИЗКОГО уровней некоторым заданным образом определяют истинные J в и ложные значения в булевой алгебре. Если

1 в какой-либо точке схемы истинное . значение

определяет ВЫСОКИЙ уровень, то говорят, что