Что такое пилообразное напряжение

Что такое пилообразное напряжение

Генератор пилообразного напряжения – генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), электронное устройство, формирующее периодические колебания напряжения пилообразной формы.

Генератор пилообразного напряжения может работать в двух режимах: режиме самовозбуждения и режиме с посторонним возбуждением.

Режим самовозбуждения характерен тем, что разрядный элемент на входе генератора пилообразного напряжения представляет собой пороговое устройство, которое срабатывает при некотором напряжении и разряжает конденсатор до нулевого напряжения, после чего снова запирается на время прямого хода.

Режим с посторонним возбуждением характерен тем, что разрядный элемент на входе генератора пилообразного напряжения представляет собой ключ, управляемый некоторым импульсным устройством (мультивибратор, триггер, одновибратор).

На рисунке 1 представлена схема генератора пилообразного напряжения.

Рис. 1 Схема генератора пилообразного напряжения

Простейший генератор пилообразного напряжения (рис. 1) состоит из интегрирующей цепи R_КC и транзистора VT, выполняющего функции ключа, управляемого периодическими импульсами U_вх(t). Для получения пилообразного напряжения используют процесс заряда (разряда) конденсатора С. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор-эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 2).

Рис. 2 Временные диаграммы генератора пилообразного напряжения

При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением +Е_К – прямой (рабочий ход, T_Р) ход. Выходное напряжение генератора пилообразного напряжения, снимаемое с конденсатора С, изменяется по закону

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

Основные характеристики генератора пилообразного напряжения: амплитуда пилообразного напряжения ΔU, коэффициент нелинейности ε и коэффициент использования напряжения k_E источника питания.

Источник

Генераторы пилообразного напряжения

Генераторы пилообразного напряжения, называемые еще генераторами линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), широко, используются в устройствах с электронно-лучевыми трубками для развертки изображения на экране, для сравнения напряжений, для получения регулируемой задержки сигнала, при преобразовании непрерывных величин в дискретные.

Пилообразное напряжение характеризуется следующими основными параметрами (рис.4.20): амплитудой U_m,, длительностью прямого (рабочего) хода t_пр, длительностью обратного хода t_обр, периодом повторения Т. Для оценки степени линейности роста напряжения во время прямого хода вводят коэффициент нелинейности

Здесь U’(0) и U’(t_p) — скорость нарастания напряжения в начале и конце рабочего участка t_p. На практике требования к величине e ограничивают значение коэффициента величиной не более 1%.

Такая экспонента обладает большой нелинейностью (e > 10%), но если использовать небольшую часть экспоненциального напряжения в начале линейного участка, можно повысить линейность в той степени, в какой уменьшаем амплитуду заряда: .

Схема простейшего ГЛИН с зарядом конденсатора через резистор приведена на рис. 4.21. Схема состоит из интегрирующей RC цепи, резистор R которой является коллекторной нагрузкой транзисторного ключа. Ключ управляется прямоугольными импульсами. В исходном состоянии ключ открыт базовыми смещением и конденсатор разряжен через транзистор. В момент поступления отрицательного запирающего напряжения на базу, ключ закрывается, и конденсатор заряжается через R от напряжения питания схемы:

По окончании входного импульса транзистор открывается и конденсатор быстро разряжается. Длительность входного импульса берется такой, чтобы конденсатор зарядился до небольшого по сравнению с Е_к напряжения. При этом обеспечивается удовлетворительная линейность нарастания U_c. При заданной нелинейности e длительность входного импульса, а следовательно и t_пр определится выражением:

Длительность обратного хода t_обр определяется (при заданной емкости) выходным сопротивлением транзистора. В случае необходимости увеличения амплитуды выходных импульсов на выходе ГЛИН подключается усилитель напряжения.

Теоретически можно обеспечить идеальную линейность выходного напряжения на интервале t_пр в том случае, если заряжать конденсатор не от напряжения через пассивный резистор, а от генератора стабильного тока:

.

Роль токостабилизирующего элемента может играть биполярный транзистор, включенный по схеме ОЭ. На пологом участке выходных вольтамперных характеристик транзистора можно обеспечить независимость I_к от U_кэ. Иногда в качестве токостабилизирующего используют полевой транзистор.

Более высококачественные ГЛИН создают, на основе операционных усилителей. В таких генераторах коэффициент нелинейности можно сделать очень малым (меньше 0,01) и практически устранить влияние нагрузки генератора на форму импульсов.

На рис. 4.22 показан генератор на ОУ с тиристорным ключом Т в цепи обратной связи. Без тиристора схема представляет собой интегратор. В Исходном состоянии тиристор заперт и конденсатор заряжается, напряжение на выходе ОУ растет практически по линейному закону до тех пор, пока выходное напряжение U_вых не сравняется с опорным напряжением U_оп, подаваемым на управляющий вход тиристора. В этот момент тиристор открывается, и конденсатор быстро разряжается через открывшийся тиристор почти до нуля (до напряжения, равного падению напряжения на тиристоре в прямом направлении). После разряда конденсатора тиристор снова закрывается, и цикл повторяется. Устройство работает в автогенераторном режиме и не требует внешнего возбуждения. Для обеспечения работоспособности устройства необходимо выдержать условие

Частота генерации зависит от напряжений Е и U_оп и может регулироваться изменением этих напряжений.

Амплитуду выходных импульсов можно регулировать в пределах до U_вых.max изменением U_оп. Благодаря высоким коэффициентам усиления ОУ, можно достичь высокой линейности нарастания U_вых.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

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

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>[/math]

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

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*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>[/math].При увеличении коэффициента насыщения увеличивается задержка выходного напряжения.

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

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.

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

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.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Генератор пилообразного напряжения. Часть 3

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о стабилизаторах тока и о генераторе пилообразного напряжения, в котором применён источник стабильного тока, что позволяет получить пилообразный импульс с высокой линейностью рабочего хода. В данной статье я продолжу рассказывать о том, как улучшить линейность пилообразного напряжения.

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

Как известно линейность пилообразного напряжения в генераторе обеспечивается постоянством тока зарядки (разрядки) конденсатора. Постоянство тока зависит от напряжения на резисторе RC-цепи генератора пилообразного напряжения. В генераторах со стабилизаторами тока напряжения на резисторе поддерживается стабилизатором напряжения (диодным или транзисторным), но существует класс генераторов пилообразных импульсов, в которых постоянство напряжения на резисторе RC-цепи поддерживается с помощью обратной связи – отрицательной (ООС) или положительной (ПОС). Обратная связь как бы компенсирует напряжение на резисторе, тем самым поддерживая его на одном уровне, поэтому такие генераторы пилообразного напряжения называются генераторами компенсационного типа или генераторы с компенсирующей ЭДС.

Генератор пилообразного напряжения с положительной обратной связью

Особенностью данного генератора пилообразного напряжения заключается в том, что компенсация напряжения на резисторе RC-цепи происходит за счёт ввода дополнительного источника питания непосредственно в RC-цепь. Структурная схема генератора такого типа изображена ниже

Структурная схема генератора пилообразного напряжения компенсационного типа с положительной обратной связью (ГПН ПОС).

Данная схема состоит из ключевого прибора, интегрирующей RC-цепи, усилителя в цепи обратной связи с единичным коэффициентом передачи (К = 1) и дополнительного источника питания.

В качестве усилителя в цепи обратной связи обычно используется эмиттерный повторитель, что позволяет к выходу генератора пилообразного напряжения подключать низкоомную нагрузку. Недостатком данной схемы является то, что дополнительный источник питания изолирован от общего провода, поэтому источник питания заменяется конденсатором сравнительно большой емкости, который заряжается от общего источника питания. Ниже представлена схема, которая реализует данный принцип работы

Принципиальная схема генератора пилообразного напряжения с положительной обратной связью.

В состав схемы входят:

Рассмотрим работу данной схемы. В исходном состоянии транзистор VT1 насыщен и находится в открытом состоянии, ток, протекающий через коллекторный переход транзистора VT1, ограничен сопротивлением резистора R3 и составляет

Напряжение на конденсаторе C2 определяется напряжение насыщения коллектор-эмиттер ключевого транзистора. Напряжение на выходе эмиттерного повторителя (резистор R4) повторяет напряжение на входе (конденсатор C2) по фазе, а по амплитуде меньше входного на величину падения напряжения база-эмиттер (U_BE ≈ 0,7 В). Диод VD1 находится в открытом состоянии, а конденсатор C3 заряжен до начального напряжения

При подаче на вход схемы импульса отрицательной полярности транзистор VT1 закрывается и конденсатор C2 начинает заряжаться через цепь VD1R3. По мере роста напряжения на конденсаторе С2, также растёт напряжение на выходе эмиттерного повторителя. Увеличение выходного напряжения через конденсатор С3 передается на катод диода VD1, вследствие чего потенциал на катоде диода становится выше потенциала анода диода и он закрывается, тем самым отключая цепь R3C2 от источника питания.

Дальнейшая работа схемы объясняется действием ПОС (положительной обратной связи) через ЭП (эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 и резисторе R4) и конденсатор С3. После закрытия диода VD1 заряд конденсатора С2 начинает осуществляться от конденсатора С3 большой емкости. Так как рост напряжения на конденсаторе С2 практически полностью передаётся на выход ЭП, то напряжение цепи С3R4 будет равняться напряжению в цепи R3C2. Таким образом ток заряда конденсатора С2 останется неизменным, то есть рост напряжение на нём будет происходить по линейному закону.

Компенсация напряжения будет происходить до тех пор, пока транзистор VT2 работает в усилительном режиме, то есть при достижении напряжения между коллектором и эмиттером VT2 равном 0,5…1 В, так как при этом напряжении транзистор начинает переходить в режим насыщения. Поэтому максимальное напряжение на выходе схемы может достигать

[math]U_ = E_ — (0,5 … 1)[/math]

Таким образом, коэффициент использования напряжения будет достаточно высоким ε ≈ 0,8…0,9.

После окончания действия управляющего импульса начинается стадия восстановления генератора, которая состоит из двух этапов:

[math]T_ = 3 * C3 * (R4 + R_)[/math]

где R_VD1 – сопротивление диода в открытом состоянии.

Генератор данного типа имеет высокую линейность пилообразного импульса (коэффициент нелинейности ε ≤ 5 %) и высокий коэффициент использования напряжения (ξ ≈ 0,9).

Когда необходимо получить высокую линейность сигнала емкости конденсатора С3 и сопротивление резистора R3 необходимо брать достаточно высокими, что приводит к увеличению длительности восстановления генератора Т_О. Для решения данной проблемы применяют следующие решения:

Схема генератора пилообразного напряжения с дополнительным источником в цепи эмиттера транзистора VT2.

Основным достоинством данного типа генератора является высокая нагрузочная способность. К недостаткам относится невозможность обеспечить небольшую длительность прямого хода (в практических схемах Т_Р ограничивается 5…10 мкс) и малую скважность импульсов (Т_О ограничивается (0,5 … 1) * Т_Р).

Расчет генераторов пилообразного напряжения с положительной обратной связью

Рассчитать генератор пилообразного напряжения со следующими параметрами: амплитуда выходного сигнала: U_m = 15 B, длительность прямого хода Т_Р = 100 мкс, длительность обратного хода Т_О = 100 мкс, коэффициент нелинейности ε = 3%, сопротивление нагрузки R_H = 1 кОм.

Так как малое значение R4 уменьшает линейность импульса, а его увеличение увеличивает длительность обратного хода, то примем R4 = 1 кОм.

При этом эквивалентное сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя составит

Примем С3 = 0,39 мкФ

Так как расчётное время обратного хода больше заданного применим в качестве транзистора VT2 составной транзистор на двух транзисторах типа КТ315 и величина сопротивления R4 = 510 Ом, тогда

Примем С1 = 0,49 мкФ

Получившаяся схема генератора пилообразного напряжения будет иметь следующий вид

Схема генератора пилообразного напряжения

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

Источник