В системах автоматического регулирования, цифровых измерительных приборах, осциллографических индикаторах, в ЭВМ непрерывного действия и др. используют линейно нарастающие (пилообразные) колебания. Пилообразный импульс (рис. 7.35) имеет передний фронт (прямой или рабочий ход) в виде лиинейно изменяющегося напряжения и задний фронт (обратный ход), изменяющийся по экспоненциальному закону.
Пилообразный импульс характеризу-ется начальным уровнем Uб, амплитудой Uт, длительностями прямого tпр и обратного tобр ходов, атакже средней скоростью нарастания переднего фронта.
|
Примером генераторов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), имеющих п р о с т е й ш у ю с х е м упри невысоких требованиях к линейности напряжения, может быть схема заряда
Рисунок 7.36. Конденсатор:
а) схема заряда; б) диаграмма напряжений.
конденсатора (рис. 7.36,а). В верхнем положении переключателя конденсатор заряжается током iз от источника с напряжением Е через резистор R. По мере заряда ток iз уменьшается, анапряжение на конденсаторе растет по экспоненте (рис. 7.36, б, кривая Uс), т. е. зависимость напряжения Uс от времени t нелинейная. Действительно, за время t = 3דּ, где דּ - постоянная времени цепи заряда, конденсатор заряжается до напряжения Uс = 0,95Е. Если же выбрать דּ много больше требуемой длительности прямого хода «пилы» tпр. то за время tпр конденсатор зарядится до напряжения меньше Е. Как видно из рис. 7.36, б, начальный участок экспоненты соответствует переднему фронту пилообразного импульса.
Схема ГЛИН, в которой не предусмотрена стабилизация тока конденсатора, изображена на рис. 7.37, а. Схемавключает в себя интегрирующую RС -цеnь и транзисторный каскад, переключающий конденсатор с заряда на разряд.
При отсутствии управляющего сигнала на входе Uупр транзистор VT находится в насыщенном состоянии за счет тока базы в цепи резистора Rб. Напряжение на его коллекторе и конденсаторе С примерно равно нулю.
Формирование ЛИН происходит во время действия на входе управляющего прямоугольного импульса (рис. 7.37, б), длительность которого tи равна требуемой длительности tпр пилообразного напряжения. С поступлением на базу транзистора VT прямоугольного положительного импульса транзистор закрывается и конденсатор С начинает заряжаться через резистор Rк Постоянная времени заряда конденсатораד з = CRк На выходе схемы (на конденсаторе С) происходит нарастание отрицательного напряжения Uвых. После окончания входного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через переход эмиттер - коллектор. При регулярном поступлениина вход управляющих импульсов на выходе схемы формируется последовательность пилообразных импульсов.
Рисунок 7.37. ГЛИН:
а) схема; б) диаграмма напряжений.
Чтобы обеспечить линейность прямого хода, выбирают ד з >> tи. В результате заряд конденсатора соответствует начальному относительно линейному участку экспоненты. Амплитуда импульса Um зависит от того, во сколько раз ד з превосходит длительность прямого хода tпр. Чембольше это отношение, тем меньше напряжение Um, до которого зарядится конденсатор за время t пр , и тем меньше в импульсе Uc пользуется напряжение источника Е к.
Обычно длительность обратного хода «пилы» t обр намного меньше tпр. С учетом этого параметры схемы должны удовлетворять неравенству:
,
где ד р - постоянная времени разряда конденсатора.
Чтобы выполнить оба требования, емкость конденсатора выбирают небольшой, аувеличение ד з получают за счет сопротивления резистора Rк.
Г е н е р а т о р ы л и н е й н о и з м е н я ю щ е г о с я н а п р я ж е н и я с т о к о с т а б и л и з и р у ю щ и м и э л е м е н т а м и имеют лучшие результаты. Напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно из-за уменьшения тока в процессе заряда (разряда) конденсатора. Для поддержания постоянства тока в цепи конденсатора необходимо использовать токостабилизи-рующий элемент (рис. 7.38).
На транзисторе VT2, постоянно работающем в усилительном режиме, собран стабилизатор тока, а на транзисторе VT1 - каскад, коммутирующий импульсы. В отсутствии сигнала Uупр транзистор VT1 насыщен, и поэтому благодаря сравнительно малому сопротивлению Rк Uвых = Uc ≈ Ек. При поступлении входного управляющего импульса транзистор VT1 закрывается, и конденсатор С начинает разряжаться через стабилизатор токана транзисторе VT2. Необходимое постоянство эмиттерного тока i э обеспечивается от рицательной обратной связью, обусловленной наличием резистора R э. По мере разрядки конденсатора С ток i э снижается, падение напряжения URэ уменьшается. Сумма напряжений источника Е э и Uк.э становится больше. В результате увеличивается напряжение между эмиттером и базой VT2. Cопротивление перехода эмиттер -коллектор VT2 умень-шается, и токразряда поддерживается по-стоянным.
При снятии сиг-нала Uупр, транзистор VT1 открывается, и конденсатор С снова заряжается. Заряд конденсатора проис-ходит значительно быстрее, чем разряд, так как цепь заряда имеет меньшее сопротивление.
ГЛИН имеют широкое применение в цифровых измери-тельных устройствах и судовых информационных системах аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Такое преобразование выполняется квантованием измеряемой величины и кодированием результата измерения в принятой системе счисления.
В АЦП с образцовой мерой времени измеряемое напряжение Uх преобразуется в пропорциональный интервал времени путем сравнения Uх с пилообразным эталонным напряжением Uлин.
Функциональная схема АЦП показана на рисунке 7.39,а. Временная диаграмма показана на рисунке 7.39,б.
Рисунок 7.39. Функциональная схема АЦП времяимпульсного кодирования.
По сигналу «Запуск» устройство управления УУ (см. рис.7.39,а) переводит счетчик Сч в состояние, при котором отсчет начинается с нуля, и приводит в действие генератор линейно изменяющегося напряжения Г Л И Н, с которого на сравнивающие устройства СУ1 и СУ2 поступает напряжение Uлин (см. рис. 7.39,б) пилообразной формы. Напряжение начинает нарастать с некоторого начального уровня, превышающего нулевой. При прохождении напряжения Uлин через «нуль» сравнивающее устройство СУ2 выдает сигнал на открытие ключа К. Импульсы частотой fo с генератора образцовой частоты (ГОЧ) начинают поступать на счетчик Сч. В момент равновесия измеряемого напряжения Uх и линейно изменяющегося напряжения Uлин сравнивающее устройство СУ 1 выдает сигнал на закрытие ключа К, прекращая тем самым поступление импульсов fo с ГОЧ в счетчик Сч.
Таким образом, время Тх (см. рис. 7.39,б), в течение которого ключ К (см. рис. 7.28,а) находится в открытом состоянии, пропорционально измеряемому напряжению Uх (см. рис. 7.39,б).
Рассмотрим электронную схему АЦП времяимпульсного кодирования, которая отображает элементы функциональной схемы рисунка 7.39,а.
Генератор линейно-изменяющегося напряжения (Г Л И Н) представляет собой управляемый генератор с отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 7.40). Ключ генератора имеет транзистор VТ1, а сам генератор имеет составной транзистор VT2, VT3.
Рисунок 7.40. Электронная схема АЦП времяимпульсного кодирования.
Резисторов R2 и конденсатор С1 определяют время прямого хода Г Л И Н. Ключ генератора VТ1 в исходном состоянии открыт, транзисторы VТ2, VТ3 закрыты. Конденсатор С1 заряжается через открытый транзистор VТ1 и резистор R3 по цепи: «-»12В – R3 – С1 -эмиттерно-коллекторный переходтранзистора VT1 – «+»12В.
C приходом на вход импульса положительной полярности транзистор VТ1 закрывается, транзисторы VT2, УТ3 открываются и конденсатор С1 начинает разряжаться через открытые транзисторы и резистор R2. по цепи:: «-»12В – R2 – C1 - эмиттерно-коллекторный переход транзистора VT3 – R4 - «+»12В.
Через время, равное 40-42мс, на вход транзистора VT1 поступает импульс отрицательной полярности, и.схема возвращается в исходное состояние, т. е. ключ VT1 открыт, а транзисторы VT2 и УТ3 закрыты и на выходе ГЛИН появляется отрицательный потенциал, который расходится на входы сравнивающих устройств СУ1 и СУ2 на входные диоды VD2 и VD3.
Сравнивающие устройства (CУ1 и СУ2) представляют собой балансный диодно-регенеративный компаратор напряжений с трансформаторной обратной связью (рис. 7.40). Транзисторы VT4 и VT5 при помощи делителей на резисторах R6 - R7 и R14 - R15 выводится на активный участок характеристики и играют роль усилителей, в цепи положительной (обмотка II) и отрицательной (обмотка III) обратной связи которого включены соответственно диоды VD1,VD2 и .VD3 и VD4. В момент равенства напряжений на сравнительном устройстве СУ1 (измеряемого Uх и линейно-изменяющегося от Г Л И Н) в схеме преобладает положительная обратная связь и схема действует как обычный блокинг-генератор.
Т.к. на входе СУ2 (VD4) постоянно присутствует «0», то на выходе СУ2 (коллектор VT4) появится отрицательный потенциал только тогда, когда на выходе ГЛИН (коллектор VT3) и на втором входе СУ2 (VD3) будет отсутствие отрицательного потенциала (см. рис.7.39,б)
Счетный ключ представляет собой триггер на два входа. При появлении отрицательного потенциала на выходе СУ2 транзисторы VT6 открывается, VT7 – закрывается, VT8 – открывается. Счетчик импульсов (Сч) начинает принимать сигналы от генератора образцовой частоты (ГОЧ).
Как только на выходе СУ1 появляется отрицательный потенциал, транзистор VT7 открывается и триггер опрокидывается. Счетчик импульсов прекращает получать сигналы от ГОЧ.
Преобразование постоянных напряжений по этому методу нашло широкое распространение. Достоинство метода состоит в сравнительной простоте практической реализации. Быстродействие АЦП не превышает нескольких тысяч измерений (преобразований) в секунду. Погрешность не превышает 0,1% и определяется линейностью напряжения Uлин (см. рис.7.39,б) и нестабильностью частоты fo (см. рис. 7,39,а).