генераторы пилообразного напряжения

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) и тока находят широкое применение в автоматике, телевидении, технике связи, измерительной технике и в других областях прикладной радиоэлектроники. Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим (рис. 6.1,а) или линейно падающим (рис. 6.1,б). Основными характеристиками этих генераторов являются линейность рабочего участка выходного напряжения, длительность рабочего () и обратного () хода, амплитуда , период повторения импульсов. ГПН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме, когда период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развертки в осциллографах, а ждущий режим − для получения ждущей развертки.

В простейшем случае, когда не требуется высокая линейность рабочего участка выходного напряжения, ГПН выполняется по схеме интегрирующей -цепи со сбросом заряда при обратном ходе. Принцип получения пилообразного напряжения заключается в медленном заряде (или разряде) конденсатора через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его разряде (или заряде) через малое сопротивление во время обратного хода. В упрощенном виде это показано на рис.6.2. Для того чтобы обеспечить в течение (от до ) линейное изменение напряжения , ток заряда должен быть постоянным. Напряжение на емкости обычно является выходным напряжением:

При постоянном скорость , то есть напряжение является линейным. Для оценки линейности напряжения за время вводят коэффициент нелинейности:

Конденсатор заряжается при разомкнутом ключе К через резиcтор , а разряжается при замкнутом ключе К через резистор . Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на конденсаторе уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения конденсатор необходимо заряжать постоянным во все время заряда током. Коэффициент нелинейности такой схемы высок и определяется выражением:

где − амплитуда выходного напряжения;

− постоянная времени заряда ;

− время заряда.

Стабилизация тока конденсатора во время рабочего хода может осуществляться с помощью, например, обратной связи (рис.6.3), вводимой в схему так, чтобы в зарядной цепи конденсатора создавалось компенсирующее напряжение , пропорциональное изменению напряжения на конденсаторе и складывающееся с постоянным напряжением питания.

Рис. 6.2. Принцип получения пилообразного напряжения

Электронный ключ собран на транзисторе и управляется импульсами положительной полярности. Транзистор (эмиттерный повторитель) является элементом следящей связи. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс, транзистор закрыт и конденсатор заряжается через открытый в исходном состоянии диод и сопротивление коллектора . Изменение напряжения передается через эмиттерный повторитель на транзисторе и конденсатор на катод диода и он закрывается. После запирания диода процесс заряда определяется напряжением на , который при достаточно большой емкости можно рассматривать как источник постоянного напряжения. Ток заряда все время остается постоянным, так как напряжение на верхнем выводе следит за напряжением на конденсаторе на его нижнем выводе. Так формируется рабочий ход пилообразного напряжения. При воздействии входного импульса транзистор открывается и конденсатор быстро через него разряжается, то есть формируется обратный ход пилообразного напряжения. Напряжение на коллекторе снижается почти до нуля. В это время конденсатор подзаряжается до своего первоначального значения через открытый диод . Коэффициент нелинейности такой схемы генератора:

Рис. 6.3. ГПН со следящей обратной связью

Можно осуществить заряд конденсатора через токостабилизирующий двухполюсник (на биполярном или полевом транзисторе), который поддерживает постоянство тока заряда. В настоящее время широко используются ГПН, выполненные на ОУ, который, например, может использоваться вместо эмиттерного повторителя (рис. 6.4).

Задавая коэффициент усиления ОУ с помощью резисторов и , можно получить минимальный коэффициент нелинейности:

где − коэффициент усиления неинвертирующего ОУ с обратной связью.

Рис. 6.4. Генератор пилообразного напряжения

Полагая, что , а также

найдем соотношение , при котором минимальный:

Минимальное значение коэффициента нелинейности определяется разбросом номиналов резисторов и и входного сопротивления . Схема рис.6.4 имеет высокую нагрузочную способность, так как сопротивление мало. Амплитуда выходного напряжения определяется по формуле:

Автоколебательный генератор на ОУ представлен на рис.6.5. Временные диаграммы работы схемы приведены на рис.6.6.

ОУ работает как компаратор напряжения, срабатывающий в тот момент, когда напряжение на его неинвертирующем входе переходит через нуль. Напряжение , в свою очередь, зависит от напряжения на выходе схемы . При напряжении выходное напряжение изменяется почти по линейному закону:

(6.1)

где , так как диод VD1 закрыт.

В момент времени напряжение достигает значения , при котором становится равным нулю, то есть:

где .

Напряжение компаратора скачком изменяется от значения до значения , и после момента времени напряжение изменяется почти по линейному закону от до . Амплитуда выходного напряжения схемы равна:

где , так как диод открыт.

Из этого выражения следует, что:

При достижении напряжением уровня будем иметь

Рис. 6.5. Автоколебательный ГПН

Компаратор срабатывает, его выходное напряжение в момент времени cкачком изменяется от значения до значения , а выходное напряжение схемы после момента времени t₂ линейно падает от значения до . Амплитуда выходного напряжения схемы определяется выражением: