Генератор линейного изменяющегося напряжения (ГЛИН) — импульсное устройство, в выходном напряжении которого имеется участок линейно изменяющийся во времени.
Напряжение может меняться периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы (рисунок 3.4.1, а, б).
Рисунок 3.4.1 Формы сигналов ГЛИН
Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением.
Если меняется от максимального значения к минимальному — линейно-падающим (рисунок 3.4.2).
В состав ГЛИН могут входить транзисторные ключи, компараторы, усилители и т.д.
Схемы ГЛИН могут работать в 3-х режимах:
с внешним возбуждением, в ждущем режиме;
автоколебательном режиме.
Различают три способа создания ГЛИН:
1) с повторительной обратной связью – это введение некоторого компенсирующего напряжения в цепь заряда емкости;
2) со следящей обратной связью — введение напряжения компенсации, равное;
3) использование системы типа интегратора.
ГЛИН строятся на принципе заряда и разряда конденсатора.
Схема простейшего ГЛИН, работающего по принципу заряда конденсатора, показана на рисунке 3.4.3, а.
Она состоит из времязадающего конденсатора С, резистора Rк и транзисторного ключа VT1. На вход транзисторного ключа подается последовательность прямоугольных импульсов с заданным интервалом между импульсами и длительностью (рисунок 3.4.3, б). Когда на базе транзистора нулевое напряжение (промежуток времени между импульсами), транзистор закрыт и происходит заряд конденсатора через резистор Rк
Рисунок 3.4.3. Схема простейшего ГЛИН (а) и его временные диаграммы (б)
Если постоянная времени цепи RкC достаточно большая, т.е. существенно больше периода следования прямоугольных импульсов, напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Заряд конденсатора Uc продолжается до поступления импульса, открывающего транзистор VT. Когда транзистор открывается, начинается процесс разряда конденсатора. Интервал времени между отпирающими импульсами должен быть достаточным для полного разряда конденсатора.
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 рисунке 3.4.4
Рисунке 3.4.4 Принцип получения пилообразного напряжения
Конденсатор С заряжается при разомкнутом ключе К через резистор Rз, а разряжается при замкнутом ключе К через резистору Rр.
Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на конденсатор уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения конденсатора необходимо заряжать постоянным во все время заряда током (рисунок 3.4.5)
Рисунок 3.4.5 Генератор пилообразного напряжения на транзисторах
Электронный ключ собран на транзисторе VT1 и управляется импульсами положительной полярности, транзистор VT2 — эмиттерный повторитель — является следящей связью. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс (рисунке 3.4.6), транзистор VT1 закрыт и конденсатор С3 заряжается. Ток заряда все время остается постоянным, т. к. напряжение на верхнем выводе R2 следит за напряжением на конденсаторе С3 на его нижнем выводе. Диод VD1 закроется и в течение всего времени дальнейшего формирования линейного нарастания напряжения будет закрыт. Формируется рабочий ход пилообразного напряжения.
Рисунке 3.4.6 Формирование прямого и обратного хода
При воздействии входного импульса транзистор VT1 открывается и конденсатор С3 быстро через него разряжается. Формируется обратный ход пилообразного напряжения. В это время конденсатор С2 подзаряжается до своего первоначального значения.
Источник
Пилообразное напряжение из прямоугольного
Генератор пилообразного напряжения для варикапов.
Автор: Сергей Безруков Опубликовано 11.03.2011
При работе с высокочастотным генератором, перестраеваемым варикапом, потребовалось изготовить для него управляющий генератор пилообразного напряжения. Схем генераторов «пилы» существует великое множество, но ни одна из найденных не подошла, т.к. для управления варикапом требовался размах выходного напряжения в пределах 0 — 40В при питании от 5В. В результате раздумий получилась вот такая схема.
Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяестся резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел). Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится . микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.
Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а неинвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0. Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхро-импульса на выводе GP2 амплитудой 5В. Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и может изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 мГц . При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К — 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц. Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В. Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц. Генератор собран на плате размером 32х36 мм. Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы. При сборке следует в первую очередь установить микроконтроллер DD1. Затем к проводникам платы временно подпаивают провода от разъема программатора и загружают прилагаемую программу. Отладка программы производилась в среде MPLAB, для загрузки использовался программатор ICD2.
Хотя описанное устройство и решило поставленную задачу и поныне успешно работает в составе свип-генератора, для расширения его возможностей приведенная схема может рассматриваться скорее как идея. Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала. При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В (что было одним из требований к устройству). Для термостабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напяжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.
Источник
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Генераторы треугольных импульсов на ОУ
Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о мультивибраторе, который является генератором прямоугольных импульсов. Кроме прямоугольных импульсов в радиоэлектронике находят широкое применение импульсы с линейно-изменяющейся формой: треугольной и пилообразной. Они применяются в схемах ШИМ – контроллеров (широтно – импульсная модуляция сигнала), различных времязадающий схемах (таймерах) и так далее.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения
Для понимания того как происходит формирование линейно-нарастающего напряжения вспомним как протекает переходный процесс в интегрирующих RC-цепях. Для этого изобразим схему заряда конденсатора некоторым током I
График заряда конденсатора.
Заряд Q конденсатора постоянным током I происходит за время t
В тоже время напряжение UС на конденсаторе емкостью С определяется величиной заряда Q накопленного в конденсаторе
Таким образом, напряжение UС на конденсаторе емкостью С, который заряжается током I будет определяться временем t
Так как значение емкости и тока постоянны, то напряжение, до которого зарядится конденсатор пропорционально времени, прошедшего с момента замыкания ключа. Таким образом, напряжение на конденсаторе UС фактически является суммой напряжений за весь период t. Такое суммирование называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором.
Интегратор на ОУ я рассматривал в одной из предыдущих статей и показан на рисунке ниже
Схема интегратора на операционном усилителе.
В данной схеме зарядный ток I конденсатора С1 определяется входным напряжением UBX и резистором R1, тогда выходное напряжение будет вычисляться по следующей формуле
Знак «–» в выражении показывает то, что входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ.
Описанный здесь интегратор, имеющий на выходе линейно-изменяющуюся форму напряжения, является основой для построения генераторов треугольного и пилообразного напряжений.
Генератор напряжения треугольной формы
Наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта. Несмотря на свою простоту, схема позволяет получить хорошие треугольные импульсы.
Генератор напряжения треугольной формы.
Данный генератор треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта на ОУ DA1 и резисторах R1, R2 и R3, а также интегратора на ОУ DA2 и резисторах R4, R5 и конденсатора С1. Треугольные импульсы снимают с вывода «UВЫХ 2», кроме того с вывода «UВЫХ 1» можно снимать прямоугольные импульсы. Резисторы R3 и R5 служат для компенсации напряжения смещения ОУ и в случае, когда нет необходимости в сильной симметрии импульсов их можно заменить перемычками.
Для понимания принципа работы генератора треугольных импульсов рассмотрим график напряжений на его выводах UВЫХ 1 и UВЫХ 2.
Графики выходных напряжений генератора треугольных импульсов: на выходе триггера Шмитта (верхний) и на выходе интегратора (нижний).
Допустим после подачи напряжения питания в схему на выходе триггера Шмитта (DA1) установилось напряжение положительного насыщения ОУ UНАС+, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться, а на выходе интегратора (DA2) напряжение начинает соответственно линейно падать. Так как выход интегратора и вход триггера объединены, то при достижении линейно-падающего напряжения уровня нижнего напряжения переключения триггера UНП, то произойдёт переброс напряжения на его выходе до напряжения отрицательного насыщения ОУ UНАС-, а коденсатор С1 начнёт разряжаться. По мере разряда конденсатора напряжение на выходе интегратора начнёт линейно расти до уровня напряжения верхнего переключения триггера Шмитта UВП, после достижения, которого выход триггера переключится до уровня напряжение положительного насыщения ОУ UНАС+ и цикл зарядки – разрядки конденсатора С1, а следовательно и треугольного напряжения повторится.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что амплитуда выходного треугольного напряжения, которое можно снимать с выхода ОУ DA2 (UВЫХ 2) будет равна величине гистерезиса триггера Шмитта
Таким образом регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения.
Длительность треугольно импульса состоит из двух периодов: периода нарастания длительностью tН и периода спада напряжения длительностью tС. Длительность этих периодов определяется следующими выражениями
Как известно пороговые уровни триггера Шмитта при опорном напряжении равном нулю (UОП = 0 В) определяются следующими выражениями
Тогда после несложных преобразований и замен получим выражение для длительности и частоты треугольного напряжения
Изменение частоты следования треугольных импульсов осуществляется с помощью резистора R4 (точная регулировка) и конденсатора C1 (грубо), хотя длительность импульсов также зависит от величины сопротивления резистора R4.
Стоит заметить, что максимальная частота следования импульсов ограничена параметрами ОУ, в частности скоростью нарастания выходного напряжения ОУ DA2 (интегратор) и максимальным выходным током ОУ DA1 (триггер Шмитта).
Генератор напряжения пилообразной формы
Генератор треугольного напряжения, выполненный по предыдущей схеме, легко преобразуется в генератор пилообразного напряжения. Для этого достаточно обеспечить разную длительность заряда и разряда конденсатора в схеме интегратора. Такие изменения показаны на рисунке ниже
Генератор колебаний пилообразной формы.
Как нетрудно заметить внесённые изменения касаются цепи заряда-разряда конденсатора С1 в интеграторе. Диоды VD1 и VD2 позволяют выполнять заряд-разряд конденсатора разными токами. При изображённой на схеме полярности включения диодов длительность разряда конденсатора С1, а следовательно и длительность линейно-возрастающего напряжения определяется величиной сопротивления резистора R4’, а длительность заряда С1 и линейно падающего сигнала на выходе интегратора – сопротивлением R4” по следующим формулам
Все остальные аспекты работы схемы аналогичны предыдущей. Так как схема не является симметричной то резистор R5 можно удалить. Частота выходного пилообразного напряжения будет определяться суммой резисторов R4’ и R4”. Стабильность частоты в данной схеме будет ограниченна температурной нестабильностью диодов VD1 и VD2
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
