Генератор пилообразного напряжения. Генератор пилообразных импульсов схема

Электронным генератором называют устройство для формирования незатухающих электрических колебаний различной формы, частоты и мощности. Очень часто генераторы выполняют на основе ОУ.

Мультивибратор

Мультивибратором называют генератор напряжения с формой, близкой прямоугольной. Его название отражает тот факт, что такое напряжение при разложении в ряд Фурье представляется рядом, содержащим много высших гармоник (мульти – много).

По характеристике ОУ (см. рис. 2.13, б) видно, что выходное напряжение усилителя линейно зависит от входного только в очень узком диапазоне – сотнях микровольт. Если входное напряжение выходит за пределы этого диапазона, то выходной сигнал может принимать только два значения: +UВЬ1Х (≈ +12 В) и -UВЬ1Х (≈ -12 В). На этой особенности операционного усилителя основан принцип формирования прямоугольного напряжения мультивибратора (рис. 2.20, а).

Рис. 2.20. Мультивибратор (а) и графики, поясняющие его работу (б)

Предположим, что в момент включения между входами усилителя небольшая (достаточно единиц милливольт) отрицательная разность потенциалов. При этом на выходе сформируется напряжение + UВЫХ, а на неинвертирующий вход с делителя R 1, R 2 будет подан положительный потенциал +U n. Конденсатор начнет заряжаться по цепи "Uвых–R3–С–корпус", стремясь достичь потенциала + Uвых. Потенциал на инвертирующем входе начнет расти до тех пор, пока не превысит потенциал на неинвертирующем входе +U D. В этот момент усилитель сформирует на выходе отрицательное напряжение -U выx и создаст на неинвертирующем входе отрицательный потенциал -U D. Теперь конденсатор начнет перезаряжаться, стремясь достичь потенциала -U выx. Однако как только потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала на неинвертирующем входе -U D, усилитель сформирует на выходе положительное напряжение +U выx. Такой скачкообразный процесс изменения выходного напряжения с +U вых до -U вых и обратно будет повторяться до тех нор, пока с операционного усилителя не будет снято питающее напряжение. Графики, демонстрирующие описанные процессы, показаны на рис. 2.20, б. Период Г-колебаний определяется постоянной времени заряда конденсатора τ = R 3C, а также тем, насколько потенциал, формируемый делителем R 1, R 2, меньше напряжения Uвых.

Генератор пилообразного напряжения

Напряжение на конденсаторе прямолинейно возрастает, если его заряжать постоянным током, не зависящим от напряжения на нем, и предотвратить влияние на этот ток сопротивления нагрузки, т.е. должно выполняться условие R н >>R. Интегрируя по времени выражение

Условие I c = const в схеме генератора пилообразного напряжения (ГПН) на основе ОУ (рис. 2.21, а) обеспечивается постоянным напряжением Uвх. Пока транзистор заперт, в течение времени t п происходит зарядка конденсатора и напряжение на нем нарастает по прямой. Усилитель, стремясь сделать разность потенциалов на его входах, близкой к нулю, формирует выходное напряжение, повторяющее напряжение на конденсаторе. При подаче импульса Uразр транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через него за время t разр, после чего процесс зарядки повторяется. Выходное напряжение схемы приобретает пилообразную форму, которая сохраняется до тех пор, пока значение напряжения располагается внутри диапазона от -Uвых до +Uвых.

Пилообразным называют напряжение, нарастающее пропорционально времени и убывающее скачкообразно. На рис. 46, а показано идеальное пилообразное напряжение, имеющее время нарастания t нар и время спада t сп, равное нулю. Очевидно, что период такого напряжения Т равен времени нарастания. Реальные генераторы пилообразного напряжения имеют не совсем линейно нарастающее напряжение и не равное нулю время его спада (рис. 46, б ).

Пилообразное напряжение применяют для разверстки электронного луча в электронно-лучевых приборах.

Рис. 46. Кривые изменения идеального (а) и реального (б) пилообразного напряжения

Рассмотрим работу управляемого транзисторного генератора пилообразного напряжения с емкостной обратной связью (рис. 47).

Рис. 47. Схема генератора пилообразного напряжения

Генератор управляется импульсами отрицательной полярности через диод VDI. В исходном состоянии транзистор VT1 заперт положительным напряжением, подаваемым от источника э.д.с. Е бэ через резистор R 2 ,диод VDI и резистор R 1 .Конденсатор С заряжается через R K , R 1 , VDI и R 2 приблизительно до напряжения Е кэ .При подаче управляющего импульса диод VD1 запирается. Транзистор VTI открывается, так как напряжение на его базу подается теперь через резистор R. Начинается разряд конденсатора через открытый транзистор. Потенциалы базы и коллектора в момент отпирания транзистора скачком уменьшаются. Емкостная обратная связь между коллектором и базой поддерживает ток разряда конденсатора почти неизменным.

В момент окончания управляющего импульса диод отпирается, транзистор закрывается напряжением источника э.д.с. Е бэ, и начинается заряд конденсатора С .

Для обеспечения полного разряда конденсатора и получения максимальной амплитуды пилообразного напряжения длительность управляющих импульсов выбирают исходя из соотношения

τ = (1,1 – 1,2) t разр

где t разр - время разряда конденсатора.

Частота пилообразного напряжения определяется параметрами разрядной цепи и ограничивается частотными свойствами транзистора.

Вашему вниманию подборка материалов:

Применение в релаксационных генераторах транзисторных аналогов динистора является типичным, так как для расчета и точной работы этого генератора необходимы строго определенные параметры динистора. Некоторые из этих параметров у промышленных динисторов либо имеют большой технологический разброс, либо вообще не нормируются. А сделать аналог со строго заданными параметрами не составляет труда.

Показан пилообразный сигнал показан выше. Время восстановления всегда меньше времени развертки. Пилообразный сигнал получается, когда время обратного хода становится равным нулю. Скорость развертки пилообразных волн зависит от используемого в контуре конденсатора. Скорость развертки контролируется резистором, помещенным в цепь.

Заряд и разряды конденсатора генерируют сигнал, показанный на рисунке ниже. Транзистор обеспечивает низкое сопротивление, через которое конденсатор становится разрядом. Мгновенное напряжение и напряжение питания измеряются в вольтах, время измеряется во втором, сопротивление измеряется в оме, а конденсатор измеряется в Фараде.

Схема генератора пилообразного напряжения

Релаксационный генератор выглядит так:

(A1) - релаксационный генератор на диодном тиристоре (динисторе), (A2) - в схеме A1 динистор заменен на транзисторный аналог. Рассчитать параметры транзисторного аналога в зависимости от используемых транзисторов и номиналов резисторов можно.

Термин «пилообразный» относится к форме сигнала и поэтому может иметь любое время подъема или спада, если форма волны сохраняет основную форму пильного диска. Пилотный генератор. представляет собой схему, которая генерирует сигнал пильного диска либо от внешнего входа, либо от автоколебаний, как в релаксационном генераторе. Схема, предназначенная для создания пилообразной функции, будет иметь очень медленный линейный скачок, который поднимается от стационарного уровня до пика. Когда достигнуто пиковое напряжение рампы, напряжение будет очень быстро возвращаться к начальному уровню.

Резистор R5 выбирается небольшим (20 - 30 Ом). Он предназначен для ограничения силы тока через динистор или транзисторы в момент их открытия. В расчетах влиянием этого резистора мы пренебрежем и будем считать, что на нем практически не падает напряжение, а конденсатор через него разряжается мгновенно.

Параметры динистора, применяемые в расчетах, описаны в статье вольт-амперная характеристика динистора.

Работа цепи однополярного транзистора

Время падения намного короче, чем время нарастания, но не мгновенное, хотя оно выглядит таким же образом по сравнению со временем нарастания. Время падения также упоминается как обратный ход, когда сигнал используется в качестве генератора развертки. Схема функционирует как осциллятор и отключает зарядку и разрядку конденсатора. Конечно, вы также можете сделать частотную переменную, добавив триммер, как текущую настройку. Верхняя сторона триммера остается подключенной к напряжению питания. В то время как другой конец триммера остается несвязанным, как в конфигурации.

[Минимальное напряжение на выходе, В ] =

[Максимальное напряжение на выходе, В ] =

Расчет сопротивления резистора R4

Для резистора R4 должны выполняться два соотношения:

[Сопротивление R4, кОм ] > 1.1 * ([Напряжение питания, В ] - [Напряжение запирания динистора, В ]) / [Ток удержания, мА ]

Это необходимо для того, чтобы динистор или его аналог надежно запирались, когда конденсатор разрядится.

Это время зарядки - это нарастающий наклон пилообразного вала, а также время развертки в конкретных приложениях. Время наклона зависит от значений резистора и конденсатора. Время падения - это время, необходимое для разрядки конденсатора через транзистор. Схема вакуумной трубки справа является еще одним примером схемы, которая выводит пилообразную форму сигнала. Эта схема использовалась как генератор развертки в осциллографе или другом дисплее. Рампа или часть развертки выхода используются для перемещения электронного луча слева направо по дисплею, в то время как часть обратного хода или обратного хода возвращает пучок в исходную точку.

[Сопротивление R4, кОм ] Напряжение питания, В] - [Напряжение отпирания динистора, В ]) / (1.1 * [Ток отпирания, мА ])

Это необходимо для того, чтобы конденсатор мог зарядиться до напряжения, необходимого для отпирания динистора или его аналога.

Коэффициент 1.1 выбран условно из желания получить 10% запас.

Если два этих условия вступают в противоречие друг с другом, то это означает, что выбрано слишком низкое напряжение питания схемы для данного тиристора.

Эта схема используется в качестве примера, чтобы показать вакуумную трубку, используемую в качестве пилообразного генератора, и второй способ изменения времени развертки. Переключатель используется для изменения времени времени развертки, так же как переменный резистор используется в цепи над ним.

Это показатель времени, основанный на величине изменения напряжения. Другим важным соображением является использование линейной части времени нарастания конденсаторов. Только в первый раз константа является линейной рампой или некоторой линейной. По мере того как конденсатор может заряжаться дополнительно, время зарядки замедляется все больше и больше. Разумеется, рампа пилы линейна по времени нарастания. То же самое относится к времени разряда конденсатора. Чем дольше время разряда, тем меньше будет линейный разряд.

Расчет частоты релаксационного генератора

Приблизительно оценить частоту генератора можно из следующих соображений. Период колебаний равен сумме времени заряда конденсатора до напряжения отпирания динистора и времени разряда. Мы договорились считать, конденсатор разряжается мгновенно. Таким образом, нам нужно оценить время заряда.

Не могли бы вы показать мне, как сделать пилообразный генератор с переменной частотой? Пилообразная волна характеризуется положительным линейным разворотом напряжения, заключенным с резким падением до нуля. Один из способов генерировать пилообразную поверхность - медленно заряжать конденсатор через источник постоянного тока , а затем быстро разряжать конденсатор, замыкая его.

Повторяя этот процесс, создается пилообразная волна. Но источники постоянного тока могут быть сложными, особенно если вы хотите настроить его. Вместо постоянного источника тока часто используется фиксированный резистор для ограничения тока зарядки крышки. Однако напряжение на зарядном конденсаторе с использованием фиксированного резистора не является линейным. Но, выбирая участок кривой, более или менее линейный, как показано красными пунктирными линиями, мы можем создать псевдопилос. Таймер 555 - это нестабильный генератор, который использует зарядку и разрядку конденсатора.

Второй вариант: R1 - 1 кОм, R2, R3 - 200 Ом, R4 - подстроечный 3 кОм (установлен на 2.5 кОм), Напряжение питания - 12 В. Транзисторы - КТ502 , КТ503 .

Требования к нагрузке генератора

Приведенные релаксационные генераторы могут работать с нагрузкой, имеющей высокое входное сопротивление, чтобы выходной ток не влиял на процесс зарядки и разрядки конденсатора.

Не идеальный, но достаточно хороший для большинства моделей электроники. Форма волны затем буферизируется и кондиционируется. Частотный банк изменяет частоту, а управление формой волны настраивает волну, чтобы верхняя и нижняя части формы волны не были обрезаны.

Более линейный пилообразный сигнал может быть сгенерирован с использованием цифрового счетчика с взвешенными выходами. Посмотрите на пилообразный генератор на рисунке 3. Это похоже на номер 3? Эти токи суммируются в узле неинвертирующего операционного усилителя и выхода в качестве напряжения.

[Сопротивление нагрузки, кОм ] >> [Сопротивление резистора R4, кОм ]

ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ - генератор линейно изменяющегося напряжения (тока), электронное устройство, формирующее периодич. колебания напряжения (тока) пилообразной формы. Осн. назначение Г. п. н.- управление временной развёрткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. Г. п. н. применяют также в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов. Для получения пилообразного напряжения используют процесс заряда (разряда) конденсатора в цепи с большой постоянной времени. Простейший Г. п. н. (рис. 1, а) состоит из интегрирующей цепи RC и транзистора, выполняющего функции ключа, управляемого периодич. импульсами. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор - эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 1, б). При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением - Е к - прямой (рабочий) ход. Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С , изменяется по закону . По окон чании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер - коллектор. Осн. характеристики Г. п. н.: амплитуда пилообразного напряжения , коэф. нелинейности и коэф. использования напряжения источника питания. При в данной схеме

Длительность прямого хода T р и частота пилообразного напряжения определяются длительностью и частотой коммутирующих импульсов.

Недостатком простейшего Г. п. н. является малый k E при малом. Требуемые значения е лежат в пределах 0,0140,1, причём наименьшие значения относятся к устройствам сравнения и задержки. Нелинейность пилообразного напряжения во время прямого хода возникает из-за уменьшения зарядного тока вследствие уменьшения разности напряжений . Приблизительного постоянства зарядного тока добиваются включением в цепь заряда нелинейного токостабилизирующего двухполюсника (содержащего транзистор или электронную лампу). В таких Г. п. н. и . В Г. п. н. с положит. обратной связью по напряжению выходное пилообразное напряжение подаётся в зарядную цепь в качестве компенсирующей эдс. При этом зарядный ток почти постоянен,, что обеспечивает значения 1 и =0,0140,02. Г. п. н. используют для развёртки в электронно-лучевых трубках с эл--магн. отклонением луча. Чтобы получить линейное отклонение, необходимо линейное изменение тока в отклоняющих катушках. Для упрощённой эквивалентной схемы катушки (рис. 2, а) условие линейности тока выполняется при подаче на зажимы катушки трапецеидального напряжения. Такое трапецеидальное напряжение (рис. 2, б )можно получить в Г. п. н. при включении в зарядную цепь дополнит. сопротивления R д (показано на рис. 1, а пунктиром). Отклоняющие катушки потребляют большие токи, поэтому генератор трапецеидального напряжения дополняют усилителем мощности.

Принцип работы релаксационного генератора основан на том, что конденсатор заряжается до определенного напряжения через резистор. При достижении нужного напряжения открывается управляющий элемент. Конденсатор разряжается через другой резистор до напряжения, при котором управляющий элемент закрывается. Так напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону, затем убывает по экспоненциальному закону.

Подробнее о том, как происходит заряд и разряд конденсатора через резистор , можно прочитать по ссылке.