Мендл М. 200 избранных схем электроники. Матью Мэндл 200 избранных схем электроники редакция литературы по информатике и электронике 1978 PrenticeHall, Inc
 Скачать 2.25 Mb.
|
|
Глава 9 МОСТОВЫЕ СХЕМЫ 9.1. Мостик Уитстона Мостовые схемы используются в различных областях электроники для проведения измерений, для целей управления m обеспечения возможности считывания переменных. Вместе с: мостовыми схемами применяются такие чувствительные элементы, как гальванометры, откалиброванные измерительные-приборы и датчики, обеспечивающие в случае разбаланса звуковую или световую сигнализацию. В измерительной технике мостовые схемы используются для-определения величин сопротивлений, емкостей или индуктивно--стей, а также частоты сигнала. В системах управления мостовые схемы устанавливают наличие разбаланса между двумя: напряжениями, на основе чего вырабатываются сигналы кор- рекции ошибок. Мостовые схемы могут применяться в источниках питания, а также в некоторых схемах детектирования, как будет .показано в данной главе. На рис. 9.1 изображена схема мостика Уитстона. В этой схеме резисторы образуют плечи мостовой цепи, в диагональ, включен индикаторный прибор, а к двум другим узлам подводится постоянное напряжение. Такая схема может применяться с источником переменного напряжения и измерителем, работающим на .переменном токе. Однако на постоянном токе можно-использовать только резистивный мостик, поскольку при наличии индуктивности или емкости необходим источник переменного напряжения. В схеме, показанной на рис. 9.1, a, R s является стандартным резистором, величина которого известна, a R x — резистор неизвестной величины. Если мост сбалансирован, величину R x можно определить непосредственным образом или путем сопоставления со стандартным резистором R s . Существует множество состояний равновесия мостика Уитстона, и одно из них показано л а рис. 9.1,6. На этой схеме все резисторы имеют равную величину, поэтому между верхним и нижним зажимами измерителя нет разности потенциалов.. В этом случае стрелка гальванометра или другого индикаторного прибора будет находиться в положении, соответствующем! равновесию (указывает на нуль). На рис. 9.1, в показано другое состояние равновесия. В этой схеме сопротивления резисторов R 1 и R 2 составляют величины по 100 Ом, а сопротивления резисторов R s и R x — по 50 Ом. Вследствие равенства сопротивлений резисторов Ri и R 2 приложенное напряжение делится между ними поровну. Аналогично этому напряжение делится поровну между резисторами R s и R x , хотя величины их сопротивлений и меньше величин сопротивлений двух других резисторов. Поэтому падение напряжения на R 2 равно падению напряжения на R s , и опять между верхним и нижним зажимами нет разности потенциалов, т. е. Мост уравновешен. В этом случае величина сопротивления R x равна 50 Ом, что соответствует величине .стандартного резистора. Еще одно состояние равновесия моста иллюстрируется на рис. 9.1,г. На этой схеме сопротивление резистора Ri в два раза больше сопротивления резистора R 2 , а сопротивление резистора R s в два раза больше сопротивления резистора R x . Вследствие равенства отношений R 2 /R x =R 1 /R s падения напряжений на R 2 и R x одинаковы, и мост уравновешен. Рис. 9.1. Мостик Уитстона на постоянном токе. Для различных условий равновесия, показанных на рис. 9.1, величину неизвестного сопротивления резистора R x можно определить из соотношения, выражающего условие равновесия-моста: (9.1) 9.2. L и С-мостики Уитстона Мостик Уитстона может быть также использован для измерения величины индуктивности или емкости (рис. 9.2). Индуктивный мост изображен на рис. 9.2, а, причем в этом случае необходимо использовать источник переменного напряжения и измерительный прибор, работающий на переменном токе. При наличии переменного тока индуктивное реактивное сопротивление вызовет падение напряжения на катушке индуктивности аналогично тому, как напряжение падает на резисторах в плечах моста. Поэтому, если падение напряжения на R 2 равно падению напряжения на L x , мост уравновешен и можно определить неизвестную величину L x из формулы (9.2) Для емкостного моста, показанного на рис. 9.2,6, функция реактивного сопротивления является обратной, поскольку реактивное сопротивление конденсатора уменьшается при увеличении его емкости, в то время как реактивное сопротивление катушки при увеличении индуктивности возрастает. Поэтому в состоянии равновесия моста отношение сопротивлений R 1 и R 2 определяет искомую емкость: (9.3) Рис. 9.2. L- и С-мостики Уитстона. 9.3. Мост Овена Работа моста Овена, типичная схема которого показана на рис. 9.3, а, основывается на сопоставлении индуктивности и емкости. .В этой схеме неизвестная индуктивность обозначена L x , а резистивная составляющая индуктивного сопротивления R x . Для уравновешивания моста можно изменять емкость конден- сатора С 1 или же последовательно с L х включить переменный резистор. В состоянии равновесия моста величину индуктивности L x можно вычислить по формуле R Х = R S C 2 /С 1 (9.4) Рис. 9.3. Мостовые схемы Овена и Максвелла. Величина резистивной составляющей индуктивного сопротивления определяется следующим выражением: 9.4. Мост Максвелла Еще одним прибором для определения величины индуктивности по методу сравнения индуктивности и емкости является мост Максвелла. Типичная схема этого моста показана на рис. 9.3, б. Величина L x находится по формуле L x = R 1 R 8 C 1 (9.6) Для расчета величины резистивной составляющей сопротивления катушки индуктивности можно использовать следующую формулу: (9.7) 9.5. Мост Вина Мост Вина (рис. 9.4, а) применяется для измерений частоты. Его можно также использовать для проверки величины емкости по данным сопротивлениям и частоте приложенного переменного напряжения. Если C X = C S , R X = JR S и R 2 = 2Ri, то измеряемая частота определяется следующим выражением: Рис. 9.4. Мост Вина и резонансный мост. 9.6. Резонансный мост Резонансный мост, показанный на рис. 9.4, б, является мостом типа LCR. В уравновешенном состоянии плечо моста, состоящее из R x , Ci и L Y , на частоте приложенного сигнала находится в резонансе, поэтому схема становится чисто резистив-ной. Это объясняется тем, что на резонансной частоте реактивное сопротивление конденсатора С 1 равно по величине и противоположно по знаку реактивному сопротивлению катушки ин- дуктивности L x . Вследствие этого соответствующие реактивные составляющие взаимно компенсируются и мост работает как чисто резистивный. Поэтому этот мост используется для измерений индуктивности или импеданса (комбинации индуктивной и резистивной составляющих сопротивления индуктивности). Величина индуктивности резонансного моста при выполнении условий равновесия связана с угловой частотой w (w = 2пf, где f — круговая частота) следующим уравнением: (9.9) Неизвестную величину R x можно определить при помощи следующей формулы: (9.10) 9.7. Мост Хея На рис. 9.5, а показан мост Хея. Этот мост аналогичен мосту Максвелла, описанному ранее, за исключением того, что конденсатор Ci и резистор R 2 включены не параллельно, а последовательно. Мост Хея используется для измерений индук-тивностей очень большой величины. Неизвестные индуктивность и сопротивление рассчитываются по формулам 9.8. Мост Шеринга Мост Шеринга, показанный на рис. 9.5, б, используется для высоковольтных измерений. Неизвестную величину емкости конденсатора С х находят из следующего выражения: (9.13) Рис. 9.5. Мостовые схемы Хея и Шеринга. 9.9. Детектор мостового типа Схема, показанная на рис. 9.6, является как бы дальнейшим развитием схемы, изображенной ранее на рис. 2.12. Это схема демодулятора мостового типа ЧМ-стереосигналов (см. также разд. 15.3 и 15.7). Полный сигнал (без составляющих частотой 19 и 67 кГц) подводится к центральному отводу вторичной обмотки. Четыре диода образуют уравновешенную мостовую схему, на которую подается сигнал частотой 38 кГц, а также полный сигнал с боковыми полосами. Полный сигнал, подаваемый через центральный отвод к верхней и нижней точкам мостовой выпрямляющей системы, в любой момент времени изменяется в одинаковой фазе в этих точках. Однако в каждый момент времени к мосту прикладываются не совпадающие по фазе сигналы несущей частоты 38 кГц. При синфазности сигналов, поступающих к узлам моста, продетектированные сигналы имеют большую амплитуду, а в противном случае амплитуда выходного колебания мала. Конденсаторы С 8 и С 9 действуют в качестве фильтров и преобразуют выпрямленные импульсы в среднее напряжение, которое изменяется по частоте и амплитуде в соответствии с составляющей сигнала звуковой модуляции, которая содержалась в исходных левом (L) и правом (R) даналах. Рис. 9.6. Детектор ЧМ-стереосигналов мостового типа. Как показано на рис. 9.6, выходные звуковые сигналы выделяются на резисторах R 15 и R 16 , точка соединения которых заземлена. Эти сигналы подаются затем на стандартные усилители звуковой частоты. 9.10. Мостовой выпрямитель Устройства выпрямления, детектирования и смешивания сигналов можно строить на основе мостовых схем. Типичной схемой такого рода является схема диодного выпрямителя, показанная на рис. 9.7. В этой схеме переменное напряжение, прикладываемое к противоположным узлам диодного моста, преобразуется в пульсирующее выпрямленное напряжение, снимаемое с двух других узлов. При включении нагрузочного резистора R H выделяемое на нем пульсирующее напряжение является униполярным, что характерно для двухполупериодного выпрямления (см. гл. 10). Рис. 9.7. Мостовой выпрямитель. При действии на входе полуволны переменного напряжения положительной полярности зажим Т 1 будет положителен по отношению к зажиму 7Y В этом случае электроны поступают на зажим Т 2 и выводятся через зажим Т 1 . Электроны от зажима Т 2 поступают на узел с диодами Д 3 и Д 4 , причем только Д 3 имеет нужное для проводимости направление включения. Поэтому электроны движутся, пройдя через этот диод, к узлу с диодами Д 3 .и Дь Полярность напряжения, приложенного к диоду Дь является запирающей, так что электроны от этого узла поступают на резистор в направлении, указанном на рис. 9.7 штриховой линией. При протекании тока через резистор R H на последнем возникает падение напряжения (полярность указана на рисунке). После прохождения через резистор электроны достигают узла с диодами Д 2 и Д 4 . Но только на диоде Д 2 действует отпирающее напряжение, позволяющее электронам двигаться к выводу Т 1 , потенциал которого положителен при данной полуволне переменного тока. Диод же Д 4 оказывается запертым, так как потенциал T 2 отрицателен. В течение следующего полупериода «изменения входного напряжения потенциал зажима Т 1 отрицательный, а зажима Т 2 положительный. Поэтому электроны от зажима TI перемещаются к узлу с диодами Д] и Д 2 , и, поскольку нужную для проводимости полярность включения имеет лишь диод Д ]? электроны проходят через этот диод и опять поступают на резистор R H , создавая на нем падение напряжения той же полярности, что и в первом случае. Далее электроны, как и прежде, поступают на узел с диодами Д 2 и Д 4 , однако к зажиму Т 2 они проходят через диод Д 4 . Таким образом, поскольку мостовой выпрямитель использует каждый полупериод входного переменного напряжения и поворачивает фазу колебаний отрицательной полярности для получения униполярного пульсирующего напряжения на выходе схемы, он обеспечивает двухполупериодное выпрямле- ние. 9.11. Мостовой фазовый детектор Диоды и резисторы часто комбинируют в мостовые схемы, позволяющие определить разности фаз или частот двух сигналов. Такие схемы известны под названием фазовых частотных детекторов; их используют в различной передающей и приемной аппаратуре, а также в приборах управления производственными процессами (см. рис. 2.4 и 4.6). На рис. 9.8 показана основная мостовая схема фазового детектора. Предположим, что на входе 1 действует синусоидальный сигнал, который по частоте и фазе необходимо сравнить с импульсным сигналом, приложенным к входу 2. Когда частота или фаза одного сигнала отличается от частоты или фазы другого сигнала, то на зажиме X получают выходной сигнал. Если же такого различия в сигналах нет, то напряжение на выходе отсутствует (эта схема может быть преобразована путем изменения полярности включения одного диода таким образом, что на выходе будет формироваться постоянное напряжение, величина которого увеличивается или уменьшается при отличающихся входных сигналах). Предположим, что при равенстве фаз двух сигналов выходной сигнал равен нулю, тогда временные диаграммы напряжений на диодах Д 1 и Д 2 должны иметь вид, показанный на рис. 9.8, б — г. Положительная полярность синхроимпульсов, поступающих на вход 2 (на узел с диодами Д 1 и Д 2 ), обусловливает проводимость обоих диодов. Импульсный ток обоих диодов поступает в узел с резисторами R 1 и R 2 и замыкается на землю через конденсатор С 1 (штриховая линия на рисунке). Если проводимость обоих диодов одинакова и мостик уравновешен, то на зажимах X и У нет напряжения, поскольку эти зажимы идентичны тем узлам стандартной мостовой схемы, между которыми включается прибор для индикации равновесия. Рис. 9.8. Мостовой фазовый детектор (а) и временные диаграммы напряжений на диодах (б — г). На рис. 9.8,6 показаны составные сигналы на диодах Д1 и Д 2 . Такие сигналы получаются, если синхроимпульс поступает на диоды Д1 и Д 2 точно в момент прохождения через нуль синусоидального сигнала. Вследствие этого пиковое значение напряжения на диоде Дь достигаемое во время положительного полупериода, равно пиковому значению напряжения на Д 2 во время отрицательного полупериода. При изменении частоты любого из сопоставляемых сигналов между импульсным сигналом и синусоидальным колебанием возникает разность фаз (рис. 9.8, в). Здесь сравнительно с тем, что было на диаграмме на рис. 9.8,6, синусоидальный сигнал сдвинут вправо (запаздывает примерно на 1/4периода), в ре- зультате чего напряжение положительного пика на Д1 гораздо больше напряжения отрицательного пика на Д 2 Поэтому проводимость диода Д1 повышается, проводимость Д 2 ослабляется, что нарушает равновесие мостовой схемы и вызывает появление разности потенциалов в точках X и У. Аналогично этому, если синусоидальное колебание смещается влево (рис. 9.8,г), импульс на диоде Д1 имеет положительную полярность и совпадает с отрицательной полуволной синусоидального колебания. Однако на диоде Д 2 импульс отрицательной полярности накладывается на отрицательную полуволну синусоидального колебания, вследствие чего проводимость Д 2 возрастает. В результате между точками X и У опять появляется разность потенциалов, но обратной полярности. Поэтому выходное напряжение, возникающее при наличии разности фаз, может быть подано на реактансную схему (см. гл. 12), которая обеспечивает увеличение или уменьшение частоты генератора с регулируемой частотой или другой схемы, за счет чего осуществляется корректировка любого смешения частоты или фазы контролируемого сигнала. Конденсатор C t (или другие фильтровые схемы) снижает уровень пульсирующих составляющих и обеспечивает постоянство уровня выходного сигнала, так что последний может служить в качестве источника смещающего напряжения для целей корректировки. 9.12. Мостовой антенный переключатель В телевизионных передающих системах формируются АМ-не-сущая изображения и ЧМ-несущая звука (см. разд. 15.4 и рис. 15.5). Эти два сигнала для передачи должны поступить в антенну, причем для удобства используется лишь одна антенная система. Однако в этом случае между несущими с AM и ЧМ будет иметь место некоторое взаимодействие, поэтому для их разделения необходимо предусмотреть определенные меры. Схема, показанная на рис. 9.9, позволяет использовать одну антенну для передачи несущих изображения и звука. Как показано на этой схеме, выходные колебания с фильтра боковых полос поступают на первичную обмотку L 3 трансформаторной цепи, состоящей из L 2 и L 4 . Подвод колебания к обмотке L 3 обычно производится посредством коаксиального кабеля, и вследствие заземления одного проводника кабеля линия является несимметричной (внутренний проводник коаксиала имеет потенциал, отличный от потенциала земли, в то время как внешний проводник является экраном и обычно заземляется). Центральный отвод обмотки L 4 преобразует несимметричный вход в секцию симметрированной линии, поэтому его называют симетрирующим отводом. Как показано на рисунке, несущая, модулированная сигналом изображения, поступает в цепь антенны и выделяется на двух противоположных узлах мостовой системы (данные о фильтре боковой полосы см. в разд. 5.16). Рис. 9.9. Мостовой диплексор (антенный разделительный фильтр) телевизионной станции. Как показано на рис. 9.9, два плеча мостовой схемы состоят из катушек индуктивности LI и L 2 (это обычно секции коаксиального кабеля, имитирующие индуктивности). Два других плеча моста содержат сопротивления Ri и R 2 , представляющие излучающие элементы антенны. Такие элементы изображены в виде резисторов, поскольку излучение радиочастотной энергии антенной связано с потреблением мощности, вызываемым так называемым сопротивлением излучения. Как показано на рисунке, несущая звука с ЧМ прикладывается к противоположным узлам моста, поэтому в мостовой схеме циркулируют как сигналы изображения, так и сигналы звукового сопровождения. Однако в случае уравновешенной схемы на реактивных сопротивлениях, так же как и на активных, напряжения равны. Поэтому несущая, модулированная звуковыми сигналами, имеется в обоих излучающих элементах антенны. Однако на узлах поступления несущей, модулированной сигналами изображения, имеется нулевое напряжение несущей, модулированной звуком, поскольку любые потенциалы в этих точках имеют одинаковую полярность, так что через L 4 ток несущей, модулированной звуковыми сигналами, не протекает. Аналогично этому несущая изображения, прикладываемая к противоположным точкам моста, также обеспечивает равные напряжения на плечах моста. Как и в случае несущей, модулированной звуком, несущая сигналов изображения также будет присутствовать в излучающих элементах антенны. Однако и в этом случае вследствие уравновешенности мостовой схемы в узлах, к которым прикладывается ЧМ-несущая звукового сопровождения, нет сигналов несущей изображения. Благодаря этому предотвращается возможность создания помех сигналам изображения. |