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 T C 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 T C T . Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C 1 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 D 1 до напряжения V CC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор C T разряжается через диод D 2 .

Когда спадающий фронт напряжения на C T достигнет нижнего порога V T − триггера Шмитта, на выходе инвертора установится высокий логический уровень. Начнется заряд конденсатора C 1 , и на катоде диода D 1 установится сумма напряжений на C 1 и на выходе инвертора. D 1 закроется, и цепь R T C T начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C 1 . 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 D 1 .

Постоянная времени R T C T определяет частоту пилообразного напряжения F O . Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда C T и любым разрядом C 1 , 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.

В качестве IC 1 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

Аналоговый генератор с пассивным интегратором (пилообразного напряжения) представляет собой низкочастотный генератор повторяющихся сигналов, линейно нарастающих во времени с периодическим сбросом до нуля или минимального уровня. Состоит из конденсатора с линейным зарядом от источника постоянного напряжения и усилителя выходного сигнала. Схема генератора пилообразного напряжения пассивным интегратором, ведомого синхроимпульсами, показана на рис. 2.51, а , диаграмма изменения сигналов показана на рис. 2.52, а.

Рис. 2.51. Схемы аналоговых ГПН: а - с пассивным интегратором; б - с активным интегратором

Рис. 2.52. Диаграммы преобразования сигналов аналоговыми ГПН: а - с пассивным интегратором; б - с активным интегратором

Заряд конденсатора С1 происходит от источника питания +15 В через резистор R3 по экспоненциальному закону:

Сброс пилообразного напряжения производится транзистором VT1, отпираемым синхроимпульсом м си. Постоянная времени цепи заряда конденсатора С1 выбирается так, чтобы использовать линейную часть функции изменения напряжения заряда (R3C1

Отрицательное смещение характеристики усилителя DA1 (цепь резистора R4) обеспечивает компенсацию падения напряжения Щ на эмиттер-коллекторном переходе транзистора VT1. Требуемая амплитуда пилообразного напряжения U njl устанавливается коэффициентом усиления выходного усилителя DA1. Подобные генераторы используются в блоках фазового управления БФУ-535 (БУВИП-133) и БРФ-176 (БУРТ-16) электровозов переменного тока ВЛ85, ВЛ80С.

Аналоговый генератор с активным интегратором предназначен для автоматического управления тиристорным импульсным преобразователем напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Схема генератора, ведомого синхроимпульсами, показана на рис. 2.51, б, а диаграмма изменения его сигналов - на рис. 2.52, б. Входной усилитель DA1 является компаратором с инверсной характеристикой переключения и положительным смещением. При положительном уровне выходного напряжения компаратора DA1 усилитель DA2 интегрирует это напряжение, формируя сигнал пилообразного вида. При подаче синхроимпульса на инвертирующий вход усилителя DA1 его выходное напряжение переключается с положительного уровня на отрицательный, сбрасывая пилообразный сигнал до уровня, близкого к нулю.

Напряжение на выходе усилителя DA2 линейно нарастает при отрицательном уровне, так как усилитель DA2 инвертирует входной сигнал. Необходимая амплитуда пилообразного напряжения устанавливается величиной входного резистора R5:

При отрицательном импульсе входного напряжения усилителя DA2 происходит переключение сопротивления входного резистора диодом VD1 на малую величину R4«R5, при которой постоянная времени интегратора существенно уменьшается, обеспечивая быстрый сброс выходного напряжения. Диод VD2 в обратной связи усилителя DA2 ограничивает выходное напряжение на уровне порогового напряжения диода Щ.

При переключении входного сигнала DA2 на положительный уровень постоянная времени интегратора изменяется на большую величину, когда входное напряжение превышает пороговое напряжение обоих диодов. При этом выходное напряжение генератора скачком возрастает на величину 2 t/ Q .

Цифровой генератор пилообразного напряжения состоит из триггерного счетчика тактовых импульсов DD1, цифроаналогового преобразователя в виде резисторного цепного делителя напряжения и выходного аналогового усилителя DA1. Схема четырехразрядного цифрового генератора пилообразного напряжения показана на рис. 2.53.

Рис. 2.53.

Диаграмма изменения сигналов генератора пилообразного напряжения показана на рис. 2.54. На каждый такт генератора тактовых импульсов -П-С выходное напряжение усилителя DA1 дискретно увеличивается на Vj6 максимального выходного напряжения усилителя DA1. Необходимая амплитуда пилообразного напряжения U njl устанавливается посредством коэффициента усиления выходного усилителя DA1. Сброс пилообразного напряжения производится мгновенно на 16-й такт при обнулении триггерного счетчика DD1. После обнуления процесс дискретного нарастания вы-

ходного напряжения повторяется. Изменение частоты следования сигналов пилообразного напряжения можно выполнить только посредством изменения частоты тактовых сигналов С, подаваемых на вход генератора.

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.

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 ]

Введем обозначения
,
,
, тогда полученное уравнение можно переписать в виде

. (7)

Это неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка, решение которого имеет вид

. (8)

Постоянную интегрирования найдем из начальных условий (1). Т.к. в начальный момент времени
, то
, следовательно, (8) можно записать, как

.

Тогда напряжение на выходе будет меняться по закону

(9)

Здесь
имеет тот же смысл, что и ранее.

Поскольку напряжение на выходе системы через время рабочего хода должно равняться величине
, где
- амплитуда пилообразного напряжения, то, решая (9) относительно времени, получим

. (10)

Аналогично для цепи разряда, принимая во внимание что
и
.

2. Расчет схемы.



Для правильной работы схемы требуется, чтобы коэффициент усиления по инвертирующему входу был больше единицы. Пусть
, выберем резисторR2 на номинал 20 кОм, тогда R1= 10 кОм.

Рассчитаем коэффициент усиления по неинвертирующему входу .

Требуется обеспечить коэффициент нелинейность 0,3 % , тогда постоянная времени заряда конденсатора должна быть не меньше величины

3. 

   Тогда напряжение на выходе будет менятся по закону:

4. ,

   Так если задать
   В, то
   = 1067

   тогда К = = = 0,014 при условии напряжения питания в цепи транзистора 15 В.

   Принимая во внимание полученные ранее обозначения, рассчитаем сопротивление соотношение сопротивлений R3 и R4

   .

   Зададимся сопротивлением в цепи коллектора транзистора R3 = 10 кОм, тогда получаем, что R4 = 20 кОм.

   В свою очередь с, следовательно, емкость конденсатора составит порядка 224 пФ, выбираем 220 пФ.

   Перейдем к расчету цепи разряда. Для цепи разряда справедливо

   . (13)

   Подставим в (13) формулы из (11), разрешим относительно R6, получим

   .

   Откуда следует, при подстановке численных значений, что R6 = 2 мОм.

   Получим выражение для времени обратного хода

   , (11)

   где
   ,
   ,
   .

   Если выражение (9) продифференцировать по времени и умножить на С1, то коэффициент нелинейности напряжения, будет определяться формулой

   t p /,где =RC

   Исходя из проведенных исследований, перейдем к расчету параметров и выбору элементов схемы.

   Ток, протекающий в момент, когда транзистор открывается, через сопротивление R6 оценим исходя из следующих рассуждений. В момент переключения все напряжение на конденсаторе приложено к сопротивлению, поэтому через него потечет ток
   мкА.

   В качестве ключа можно использовать транзистор с подходящими параметрами типа КТ342Б. Резистор R5, ограничивающий ток базы, выберем порядка 1 кОм. Поскольку максимальный ток коллектора 50 мА, а коэффициент усиления по току 200, то ток насыщения базы будет равен 250 мкА, следовательно на резисторе напряжение составит 0,25 В. Примем напряжение насыщения база-эммитер – 1 В. Падение напряжения на сопротивлении R6, при максимальном токе протекающем через R3 и R4 добавленному к R6 составит 6,08 В. Таким образом, для надежного отпирания транзистора и его удержания в открытом состоянии требуется импульс амплитудой 8 В.