Управляемый генератор пилообразного напряжения

Генератор пилообразного напряжения. Часть 1

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о блокинг-генераторах, которые предназначены для формирования прямоугольных импульсов с большой скважностью и возможностью формировать амплитуду импульса в широком интервале напряжений. Сегодняшняя моя статья о способах формирования напряжения пилообразной формы, которые называются также генераторами пилообразного или линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Параметры пилообразного напряжения

Линейно изменяющееся или пилообразное напряжение имеет форму неравностороннего треугольника, то есть в течение определённого периода времени нарастает или спадает практически по линейному закону до некоторого амплитудного значения, а затем возвращается к исходному уровню. Временные диаграммы различных видов пилообразного напряжения изображены ниже

Временные диаграммы пилообразного напряжения: положительно нарастающее (а), положительно падающее (б), отрицательно падающее (в), отрицательно нарастающее (г).

Как и любой из генераторов импульсов, генератор пилообразного напряжения может работать как в автоколебательном, так и в ждущем режиме, но в любом случае можно выделить два основных периода работы: рабочий период (Т_Р), когда напряжение нарастает или спадает и период обратного хода (Т_О), в течении которого напряжение возвращается к исходному уровню. Поэтому период повторения пилообразных импульсов будет равен сумме рабочего периода и обратного хода

[math]T = T_

+ T_[/math]

Данное равенство справедливо для автоколебательного генератора пилообразного напряжения, в случае ждущего генератора к выражению добавляется также период ожидания запускающего импульса (Т_OZ), в течении которого выходное напряжение имеет некоторый постоянный уровень U_BbIX = const.

[math]T = T_

+ T_ + T_[/math]

Ввиду того что практически невозможно обеспечить постоянные параметры генератора пилообразного напряжения для оценки линейности рабочего участка напряжения вводится коэффициент нелинейности ξ. Под коэффициентом нелинейности понимается относительное изменение скорости нарастания напряжения во время рабочего хода

где k_Н, k_К – соответственно скорость нарастания напряжения в начале и в конце рабочего хода.

Эффективность ГЛИН зависит от коэффициента использования напряжения питания ε, которое определяется, как отношение амплитуды выходного напряжения U_m к значению напряжения источника питания Е

[math] varepsilon = frac<U_>[/math]

• где Um – максимальная амплитуда импульсов,
• Е – напряжение источника питания.

Большинство параметров генераторов пилообразного напряжения являются расчётными и зависят от номиналов элементов схемы и назначения генератора:

• максимальная амплитуда напряжения U_m – от единиц до сотен вольт;
• длительность рабочего периода Т_Р – от нескольких микросекунд до нескольких сотен и тысяч миллисекунд;
• коэффициент нелинейности ξ: в осциллографии – до 10%, в телевидении – до 5%, в электроннолучевых индикаторах – до 2%, в точных каскадах сравнения – 0,1…0,2%;
• коэффициента использования напряжения питания ε – от 0,1 (в простейших генераторах) до 0,9 (у наиболее совершенных).

Принцип построения генераторов пилообразного напряжения

Принцип построения генераторов пилообразного напряжения основан на прохождении импульса напряжения через интегрирующую цепь. То есть на заряде (или разряде) конденсатора некоторым постоянным током, а потом его быстром разряде (или заряде). Таким образом, простейший генератор пилообразного напряжения состоит из зарядной (или разрядной) цепи, конденсатора и коммутирующего элемента, через который происходит быстрый разряд (или заряд) конденсатора, то есть приведение конденсатора в исходное состояние. На рисунке ниже показаны схемы простейших генераторов пилообразного напряжения

Схематическое изображение генераторов пилообразного напряжения: линейно-растущего (слева) и линейно-падающего (справа).

В схеме слева в рабочей стадии конденсатор заряжается, через зарядную цепь до некоторого напряжения, а в стадии обратного хода резко разряжается при помощи коммутирующего элемента. В случае линейно падающего напряжения в рабочий период происходит разряд конденсатора постоянным током, а затем резкий заряд. В большинстве случаев в качестве коммутирующего элемента применяются транзисторы, работающие в ключевом режиме и входящие в состав либо генератора прямоугольных импульсов, либо работающие от внешнего генератора.

В качестве зарядных (или разрядных) цепей в простейших генераторах пилообразного напряжения могут применяться резисторы, но они не дают низкого коэффициента нелинейности, к тому, же такие схемы не обеспечивают высокого коэффициента использования напряжения (ε ≤ 0,1). Лучшие параметры генератора обеспечивают зарядные (или разрядные) схемы с токостабилизирующими элементами или источниками (генераторами) тока. Ещё лучшие параметры обеспечивают генератора пилообразного напряжения, в которых применяются обратные связи в зарядных (или разрядных) цепях.

Простейший генератор пилообразного напряжения

Для получения пилообразного напряжения применяют различные генераторы, но во всех схемах основным элементом является конденсатор, который заряжают и разряжают постоянным током. Простейшей является схема на основе конденсатора и зарядного резистора, которая изображена ниже

Простейшие схемы генераторов пилообразного напряжения: вверху – линейно растущего напряжения, внизу – линейно падающего.

Рассмотрим принцип работы схемы линейно растущего напряжения. В начальный период времени на транзистор VT1 действует базовый ток, создаваемый сопротивлением R1 и VT1 находится в состоянии насыщения, напряжение на его коллекторе U_K, а следовательно и на конденсаторе С1 равно нулю (U_K = U_С ≈ 0). После того как на базу VT1 пришёл отрицательный входной импульс (момент времени t₀), транзистор запирается и конденсатор С1 начинает заряжаться током I_C, который ограничен сопротивлением R2

По мере того как конденсатор С1 заряжается на его обкладках напряжение растёт по экспоненциальному закону (см. RC- и RL-цепи) с постоянной времени τ_З = С1R2 и достигает значения U_М.

В момент времени t₁ (окончание действия импульса) напряжение на базе транзистора VT1 возрастает и за счёт резистора R1 становится выше напряжения насыщения. Это приводит к полному открытию транзистора и под действием базового тока I_В ≈ E_K/R1 через переход коллектор-эммитер начинается разряд конденсатора С1 с некоторой постоянной времени разряда τ_Р

где R_ВЫХ — выходное сопротивление транзистора.

Длительность обратного хода пилообразного напряжения определяется по следующей формуле

в тоже время [math]frac<h_<21e>*R2> = S[/math], где S – коэффициент насыщения транзистора должен находиться в пределах 1,5…3 для надёжного открытия транзистора. Таким образом [math]T_<0>=frac<t_>[/math].При увеличении коэффициента насыщения увеличивается задержка выходного напряжения.

Данный тип генератора пилообразного напряжения имеет два существенных недостатка обусловленных простотой конструкции:

1. Высокий коэффициент нелинейности γ = 5…10 %.
2. Необходимость использования источника питания с напряжением в десятки раз выше, чем амплитуда выходного импульса.

Расчёт простейшей схемы генератора пилообразного напряжения

Рассчитать параметры элементов простейшей схемы генератора пилообразного напряжения, который обеспечивает следующие характеристики выходного сигнала: длительность рабочего хода Т_Р = 500 мкс, амплитуда выходного напряжения U_m = 2 В, коэффициент нелинейности γ = 10.

1. Определим напряжение питания U_К, которое обеспечит заданные параметры U_m и γ
   [math]U_=frac < U_>< gamma >=frac<2><10 %>= 20 B[/math]
2. Выбираем тип транзистора VT1

[math]f_ ge frac<5><T_

>=frac<5> <0,0005>= 1 kHz[/math]

Данным параметрам соответствует транзисторы типа КТ315 со следующими параметрами [math]U_=30 B, I_=100 mA, I_=1 mkA, f_=250 MHz, h_<21e>=20…90[/math]

• Вычисляем номинал резистора R2
  [math]R2=frac<U_><I_>[/math]
  Примем I_C = 20 мА, тогда
  [math]R2=frac<22><0,02>=1100 Om[/math]
  Выберем R2 = 1 кОм
• Определим сопротивление резистора R1, принимая коэффициент насыщения S = 1,5.
  [math]R1=frac<H_<21e>*R2>= frac<65*1><1,5>approx 43,33 kOm[/math]
  Примем R1 = 47 кОм.
• Определим емкость конденсатора C1, который обеспечит заданный коэффициент нелинейности γ

 

Главным недостатком рассмотренного простейшего генератора пилообразного напряжения, как указывалось выше, является необходимость использования источника питания с достаточно высоким потенциалом (в несколько десятков раз больше, чем амплитуда импульса), поэтому схема данного типа применяется достаточно редко в аппаратуре, где амплитуда импульса небольшая, а требования к линейности невелики.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Управляемый генератор пилообразного напряжения

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.

Простой генератор пилообразного сигнала

Не стану утверждать, что «пила» просто необходима для отладки аудио-усилителей. Удобно, конечно, посмотреть, не скривилось ли что напрочь — с пилою видны на глаз, и часто нагляднее, чем с синусоидой, всяческие ограничения сигнала или какие-нибудь переходные искажения.

Данный проект я собрал «до кучи» к генератору синусоиды на мосте Вина. Использую его регулярно для отслеживания характера ограничений по амплитуде в своих конструкциях. Так же пила оказалась незаменимой в выявлении всевозможных подсвистов усилителей, которые не видны ни на синусе любой частоты, ни на прямоугольнике.

В этой статье:

• Качественный генератор «пилы» на 555 таймере
• Повторитель с огромным входным сопротивлением
• Регулятор усиления от -1 до +1
• Линейность на уровне профессионального оборудования, используя бюджетные ОУ

555 таймер

Важно : в данной конструкции необходимо использовать только качественный КМОП вариант 555 таймера. Например вот этот: TLC555 datasheet от TI .
Более старые, биполярные варианты 555, выдают совершенно неприличную грязь и к тому же так «бухают» в питание, что это уже ни чем не отфильтровывается.

На мой взгляд, одна из наиболее наглядных отрисовок блок-схемы микросхемы 555:

Блок-схема КМОП таймера 555

1. GND — Ground = «Земля», отрицательный вывод питания
2. TRIG — Trigger = Триггер
3. OUT — Output = Выход
4. RESET = Сброс
5. CONT — Control voltage = Управляющее напряжение
6. THRES — Threshold = Порог
7. DISCH — Discharge = Разряд
8. V DD — Positive supply voltage = Положительное напряжение питания

Задающий генератор пилообразного сигнала

Принцип работы данного генератора исключительно прост, по сути — используем 555 в стандартном включении.

Формирователь пилообразного сигнала

• R1, R3 = 36 кОм
• R2, R4 = 100 кОм
• VT1 = MPS2907A

= КТ361

• C4 = 10 нФ
• C1, C3 = 0.1 мкФ
• C2 = 10 мкФ

 

Источник тока на транзисторе VT1 обеспечивает линейный заряд времязадающего конденсатора С4. Так же как и пороговые напряжения в 555 таймере, ток, генерируемый данным источником прямо пропорционален напряжению питания. Всё вместе это обеспечивает практически постоянную частоту генерации независимо от величины питающего напряжения.

Пороговое напряжение 555-го (вход 5 «CONT») слегка «притянуто» к земле, чтобы добавить доступного падения напряжения для работы источника тока.

Разряд времязадающего конденсатора производится быстро, через вывод 7 «DISCH». Надо заметить, что полевой транзистор задаёт постоянный ток разряда — спад пилы получается так же практически идеально линейный.

Повторитель с высоким входным импедансом

Полученный практически идеальный пилообразный сигнал на конденсаторе, к сожалению, не может быть подан прямиком в нагрузку — любая нагрузка будет искажать форму сигнала и влиять на частоту генерации. Необходим повторитель с возможно бОльшим входным импедансом. В моём варианте LM324 (datasheets: National/TI , Fairchild , OnSemi ) отлично справляется с задачей, при условии использования внешних источников тока (об этом — чуть ниже).

Буфер с огромным входным импедансом

• R5, R6 = 330 кОм
• C5, C6 = 0.1 мкФ

Можно обойтись без усложнений и использовать простой буферный каскад, если вместо бюджетного LM324 применить высококлассные (дорогие) ОУ со входами на полевых транзисторах.

Регулятор усиления от -1 до +1

Удобно иметь возможность регулировать не только амплитуду сигнала, но так же и полярность.

Регулятор усиления от -1 до +1

• R7, R8, PR1 = 10 кОм

Настоящий класс «А»

Для получения образцовой линейности усилителей применён тот же трюк, что и в моём генераторе синусоидального сигнала на мосте Вина: загрузка выходов ОУ источниками тока. Таким образом весьма посредственные выходные каскады ОУ LM324, в оригинале работающие практически в классе «B», т.е. без начального тока покоя, переводятся в честный отднотактный класс «А».

Источники тока для загрузки выходов ОУ

• R9 = 6.2 кОм
• VT2-VT4 = KT503

По факту в своём макете я использовал 5 транзисторов в параллель для загрузки всех 4 выходов LM324.

Работа от одного источника питания

Формирование виртуальной земли при питании от одного источника (батарей) подробно описано в статье про генератор на мосте Вина. В макете я использовал общие цепи питания для обоих генераторов.

Формирование виртуальной земли со сдвигом

• VD2 = красный светодиод 1.7 Вольта
• R10, R11 = 2 кОм
• C10, C11 = 0.1 мкФ (керамика или плёнка)
• C12, C13 >= 10 мкФ

Тестируем!

«Пила», как она есть на выходе генератора:

Почти идеальная пила уже от 6 вольт питания

Данная картинка получена при питании от батареек в сумме дающих 6 вольт. Если немного поднять питающее напряжение — форма сигнала станет неотличима на глаз от идеальной. Замечу, что в отличие от генератора на мосте Вина, у которого есть АРУ, здесь амплитуда сигнала на выходе генератора будет линейно зависеть от напряжения питания.

Собираем

TLС555CP + LM324 = два генератора

Примечание : настоятельно рекомендую поставить отдельный выключатель питания для микросхемы таймера, буде данная схема собрана как у меня в паре с генератором синусоиды с низким THD — помехи даже от КМОП 555 весьма ощутимы. Простенький «джампер» вполне подойдёт на роль такого выключателя (синенький, слева от 555 на картинке).

Релаксационный генератор пилообразного напряжения, сигнала, пилы. Схема. Расчет он-лайн, онлайн.

Схемы и расчет релаксационных генераторов, формирующих пилообразное напряжение (10+)

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.

Кстати, если заряжать и разряжать конденсатор не через резисторы, а через источники тока, то получится генератор треугольного напряжения.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

В качестве управляющих элементов в релаксационных генераторах могут применяться самые разные радиоэлектронные компоненты: тиратроны, тринисторы, динисторы, однопереходные транзисторы, электронные микросхемы. Но мы остановимся на релаксационных генераторах динисторах. Если есть желание получить релаксационный генератор на биполярных транзисторах, то можно применить вместо динистора его транзисторный аналог.

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.

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 здесь.

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.

[Минимальное напряжение на выходе, В] = [Напряжение запирания динистора, В]

[Максимальное напряжение на выходе, В] = [Напряжение отпирания динистора, 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.

[Сопротивление R4, кОм]

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.

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.

Конденсатор подключен к делителю напряжения (по ссылке можно ознакомиться с его подробным расчетом), образованному резистором R4 и динистором. Приблизительно считаем, что:

[Сопротивление динистора в закрытом состоянии, кОм] = [Напряжение отпирания динистора, В] / [Ток отпирания, мА]

Вспомним, что делитель напряжения эквивалентен одному резистору с эквивалентным сопротивлением, подключенному к источнику питания с эквивалентным напряжением.

[Эквивалентное сопротивление делителя, кОм] = 1 / (1 / [Сопротивление динистора в закрытом состоянии, кОм] + 1 / [Сопротивление R4, кОм])

[Эквивалентное напряжение делителя, В] = [Напряжение питания, В] * [Сопротивление динистора в закрытом состоянии, кОм] / ([Сопротивление R4, кОм] + [Сопротивление динистора в закрытом состоянии, кОм])

[Частота генератора, Гц] = 1 / [Период колебаний, с]

Онлайн (on-line) расчет

Еще раз хочу обратить Ваше внимание, что расчет приблизительный. Он дает ориентир, с которого можно начинать подбор элементов. Вместо R4 лучше установить подстроечный резистор подходящего номинала для тонкой регулировки.

Приведу два варианта реальных номиналов элементов для схемы с аналогом динистора, которые я собирал и проверял:

Первый вариант: R1 — 22 кОм, R2, R3 — 2 кОм, R4 — подстроечный 47 кОм (установлен на 34 кОм), Напряжение питания — 16 В. Транзисторы — КТ502, КТ503.

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.

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

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.

Простой импульсный прямоходовый преобразователь напряжения. 5 — 12 вол.
Схема простого преобразователя напряжения для питания операционного усилителя.

Простой высокочастотный генератор пилообразного напряжения

Luca Bruno, Италия

В широтно-импульсных модуляторах часто используются аналоговые генераторы пилообразного напряжения. Показанная на Рисунке 1 недорогая схема такого генератора может использоваться в маломощных приложениях на частотах до 10 МГц. Схема отличается хорошей линейностью рабочего хода и стабильностью частоты.

Схема сделана на одном инверторе с входным триггером Шмитта, работающем как модифицированный мультивибратор. Выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора C_T, напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. R_TC_T заряжается постоянным напряжением, поэтому напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону и аппроксимировать его прямой линией можно лишь на начальном участке экспоненты.

Простейший способ улучшить линейность пилообразного напряжения – увеличить напряжение питания цепочки R_TC_T. Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C₁ с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем C_T. Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D₁ до напряжения V_CC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор C_T разряжается через диод D₂.

Когда спадающий фронт напряжения на C_T достигнет нижнего порога V_T − триггера Шмитта, на выходе инвертора установится высокий логический уровень. Начнется заряд конденсатора C₁, и на катоде диода D₁ установится сумма напряжений на C₁ и на выходе инвертора. D₁ закроется, и цепь R_TC_T начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C₁. В момент, когда напряжение на C_T поднимется до верхнего порога V_T + триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

Линейность «пилы» пропорциональна сумме напряжений питания V_CC и V_DD. Поскольку V_DD равно +5 В, и фиксировано, улучшать линейность остается только за счет V_CC. Оценить степень нелинейности рабочей области пилообразного напряжения можно с помощью следующего выражения:

E_NL% – ошибка нелинейности в процентах,
M_I – угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
M_F – угол наклона рабочей области на конечном участке,

V_F – прямое падение напряжения на диоде D₁.

Постоянная времени R_TC_T определяет частоту пилообразного напряжения F_O. Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда C_T и любым разрядом C₁, можно с помощью выражения:

K – константа, определяемая из следующего выражения:

Моделирование схемы со значениями C_T=100 пФ и R_T=2.2 кОм показывает, что нелинейность пилообразного напряжения равна

• 28% при V_CC = V_DD = 5 В,
• 18% при V_CC = 10 В и V_DD = 5 В,
• 14% при V_CC = 15 В и V_DD = 5 В.

Был собран макет схемы, в которой V_DD=V_CC=5 В, C_T=100 пФ и R_T=2.2 кОм. В качестве инвертора использовалась микросхема 74HC14 в стандартном корпусе DIP, имеющая задержку распространения 15 нс (против 4.4. нс у SN74LVC1G14 при напряжении питания 5 В). Измеренная частота равнялась приблизительно 12.7 МГц.

Частотозадающий конденсатор C_T должен быть пленочным, с низким током утечки, а его емкость не должна быть большой, чтобы сократить затраты энергии при перезаряде. В то же время, для уменьшения вносимых ошибок, емкость C_T должна значительно превосходить емкость входов микросхемы и паразитные емкости.

Сопротивление R_T выбирайте достаточно небольшим, чтобы снизить влияние паразитных емкостей.

В качестве IC₁ можно использовать любой КМОП инвертор с триггером Шмитта на входе. Однако для повышения стабильности частоты следует выбирать микросхемы из наиболее быстродействующих семейств, с малым временем задержки распространения и большим выходным током. Вполне подойдет выпускаемый Texas Instruments одновентильный инвертор SN74LVC1G14.

Чтобы воспользоваться приведенными выше выражениями, нужно прямо в схеме измерить пороговые напряжения триггера Шмитта, в особенности V_T − . Необходимо принимать во внимание, что из-за конечной задержки распространения инвертора разряд C_T прерывается не в момент достижения порога V_T − , а несколько позже. Этот факт следует учитывать, чтобы компенсировать ошибку расчетов, выполняемых на основе измеренных значений V_T − .

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Управляемый генератор пилообразного напряжения

Основные определения, термины
и понятия по военно-технической подготовке

• Военно-техническая подготовка
• Тактитка зенитных ракетных войск
• Боевое применение зенитного ракетного комплекса

3.2. Схемы формирования импульсов.

3.2.1. Генератор пилообразного тока (ГПТ), генератор пилообразного напряжения (ГПН).

Генератор пилообразного напряжения — генератор линейно изменяющегося напряжения (тока), электронное устройство, формирующее периодические колебания напряжения (тока) пилообразной формы. Основное назначение ГПН — управление временной развёрткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. ГПН 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 периодическими 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 — Ек — прямой (рабочий) ход. Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С , изменяется по закону:

,

По окончании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер — коллектор.

Основные характеристики ГПН:

• амплитуда пилообразного напряжения ,
• коэффициент нелинейности ,
• коэффициент 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 ГПН является малый kE при малом . Требуемые значения ε лежат в пределах 0,014 — 0,1, 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 ГПН

В ГПН с положительной 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.

ГПН используют для развёртки в электронно-лучевых трубках с электромагнитным 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 ГПН 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.