Что такое линейно изменяющееся напряжение
Перейти к содержимому

Что такое линейно изменяющееся напряжение

  • автор:

3.3. Генератор линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (генераторы пилообразного напряжения) – это устройства, формирующие периодический импульсный сигнал в виде линейно нарастающего (спадающего) напряжения на интервале времени, близком к периоду следования импульсов. Примерный вид линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) приведен на временной диаграмме (рис.3.14).

Линейно изменяющееся напряжение (рис.3.14) характеризуется:

  • максимальным (амплитудным) значением ;
  • периодом Т;
  • длительностью рабочего хода ;
  • длительностью обратного хода ;
  • коэффициентом нелинейности , (3.19)

где и – соответственно, скорости изменения напряжения в начале и конце рабочего хода (рис.3.14).

3.3.1. Простейший глин

Схема простейшего ГЛИН приведена на рис.3.15,а. Временные диаграммы, поясняющие его работу приведены на рис.3.15,б.

Пусть на интервале времени – напряжение управления и ток базы транзистора VT так же близок к нулю. Транзистор VT закрыт и конденсатор С заряжается током, проходящим по цепи: источник питания – резистор – конденсатор – общий провод схемы, и к моменту времени напряжение на конденсаторе и равное ему выходное напряжение достигают амплитудного значения .

В момент времени на выходе генератора импульсов (ГИ) появляется импульс и напряжение управления становится больше нуля ( ). Появляется ток базы транзистора VT. Транзистор открывается и конденсатор С разрежается через открытый транзистор до напряжения близкого к нулю ( ).

В момент времени импульс на выходе ГИ заканчивается. Ток базы транзистора VT прекращается и транзистор закрывается. Начинается уже рассмотренный процесс заряда конденсатора С. Напряжение на конденсаторе С изменяется согласно выражению:

где – постоянная времени.

Определим коэффициент нелинейности напряжения на выходе ГЛИН. Рассмотрим интервал времени – . Момент времени соответствует началу рабочего хода, а момент времени – концу рабочего хода. Поэтому выражение (3.19) следует записать:

Поскольку напряжение на выходе ГЛИН равно напряжению на конденсаторе, то с учетом известного выражения , можно записать:

Подставив (3.22) в (3.21) и домножив числитель и знаменатель на С получим:

Ток конденсатора на интервале времени – равен току резистора :

где – напряжение на резисторе . Поскольку , а , то, пренебрегая напряжением на транзисторе в режиме насыщения, подставив значения напряжения на конденсаторе в (3.24) получим:

где – амплитудное значение ЛИН. Подставив последние выражения в (3.23) определим коэффициент нелинейности через параметры элементов схемы.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяют для развертки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройств, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во временя и т. п.

ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме, когда период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развертки в осциллографах, а ждущий режим — для получения ждущей развертки.

Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим (рисунок 4) или линейно падающим (рисунок 5).

Линейно изменяющееся нарастающее напряжение

Рисунок 4 — Линейно изменяющееся нарастающее напряжение

Линейно изменяющееся падающее напряжение

Рисунок 5 — Линейно изменяющееся падающее напряжение

Пилообразное напряжение характеризуется длительностью прямого или рабочего хода tр.х.в течении которого напряжение изменяется линейно; длительностью обратного хода tо.х., в течении которого напряжение обычно изменяется по экспоненте, и амплитудой Umax.

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 6.

Рисунок 6 — Принцип получения пилообразного напряжения

Конденсатор С заряжается при разомкнутом ключе К через резистор Rз, а разряжается при замкнутом ключе К через резистор Rр.

Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на конденсаторе уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения конденсатор необходимо заряжать постоянным во все время заряда током. Поэтому рассмотрим схему (рисунок 7):

Генератор пилообразного напряжения на транзисторах

Рисунок 7 — 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 (рисунок 8), 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.

Формирование прямого и обратного хода

Рисунок 8 — 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.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), или генераторы пилообразных напряжений, предназначены для формирования импульсов выходного напряжения, обычно имеющих форму неравностороннего треугольника. Такое изменение напряжения часто называют пилообразным. Существует симметричная и несимметричная формы пилообразного напряжения. Симметричное линейно изменяющееся напряжение применяется в радиовысотомерах, а несимметричное — в развертках осциллографов, электронно-лучевых трубках и экранах телевизоров. Линейно изменяющуюся, как правило, более длительную часть импульса, принято называть прямым (рабочим) ходом с длительностью Гр, а короткую часть — обратным ходом (стадией восстановления) с длительностью 7^р. Амплитуда пилообразного импульса ?/выхтах определяется разностью напряжений в начале и конце прямого хода. В общем случае соотношение длительности прямого и обратного ходов принимает различные значения. Формы импульсов так же разнообразны (например, трапециевидные). За основу будем брать наиболее широко распространенные генераторы пилообразного напряжения, с помощью которых можно получить и трапециевидные импульсы, применяя диодные схемы ограничителей (см. гл. 3).

Получить линейно изменяющееся напряжение можно на обкладках конденсатора, заряжающегося через большое сопротивление. Примером генератора является интегрирующая цепочка, на которую подано постоянное напряжение. Вариантом схемы формирователя линейно нарастающего напряжения является генератор на основе инвертора и конденсатора (рис. 5.10). На схеме рис. 5.10, а конденсатор С заряжается через резистор RK от +?п до напряжения UbUX шах с относительно большой постоянной времени 0 = RC. При открытом транзисторе конденсатор С разряжен практически до нуля (через открытый транзистор). После запирания транзистора конденсатор начинает медленно заряжаться через резистор RK. На начальном участке напряжение на обкладках конденсатора нарастает по линейному закону, а по мере насыщения конденсатора рост напряжения замедляется и больше соответствует нелинейной, экспоненциальной зависимости от времени.

Если на вход формирователя поступает последовательность положительных импульсов с большой скважностью, то каждый импульс будет открывать транзистор и разряжать конденсатор, формируя обратный ход. В промежутках между импульсами будет формироваться линейно нарастающее напряжение (см. рис. 5.10, в). Для обеспечения линейной зависимости нарастания напряжения постоянная времени заряда должна быть довольно большой. Для этого, как правило, выбирают электролитический конденсатор большой емкости С = 10. 20 мкФ и резистор с сопротивлением 5. 10 кОм.

Нелинейность изменения напряжения является главным недостатком подобных формирователей. Для борьбы с нелинейностью применяют различные методы. В частности, используют ограниченный начальный участок времени заряда конденсатора, нелинейное усиление сигнала или электронный интегратор на основе операционного усилителя. В некоторых случаях, когда не предъявляются высокие требования к линейности, используют простые схемы ГЛИН.

Кроме указанных временных характеристик к основным параметрам ГЛИН следует отнести коэффициент использования напряжения питания Кп= ивыхтгхп и коэффициент нелинейности Кт. Обычно Кп >10%, — низкую.

В схеме простейшего ГЛИН содержится интегрирующая цепь, работающая при формировании прямого хода. Из анализа интегрирующих цепей (см. гл. 3) следует, что при 1/шх « Еп скорость нарастания напряжения максимальна и почти постоянна, а Км > 0. Таким образом можно заключить, что использовать рассматриваемый вариант ГЛИН желательно лишь при небольших Тр, т.е. при Тр « RC. Из анализа схемы также следует, что в ГЛИН необходимо осуществлять стабилизацию тока заряда, т.е. снижать влияние /(/) = (?пUBblx(t))/RK. В качестве стабилизаторов тока можно использовать биполярные и полевые транзисторы, работающие на пологих участках ВАХ.

Стабилизация тока осуществляется тем лучше, чем больше дифференциальное сопротивление токостабилизирующего элемента, являющегося в нашем случае сопротивлением RK цепи заряда конденсатора С. В качестве токостабилизирующего элемента в схемах ГЛИН используют полевой транзистор (см. рис. 5.10, б). Полевой транзистор, включенный последовательно с резистором /?, создает эквивалентное сопротивление /?э= /?вн( 1 + + SR), где /?ви — внутреннее сопротивление полевого транзистора; S — крутизна характеристики. На практике удается получить /?э= 11,5 МОм с хорошей стабилизацией тока. Такой ГЛИН прост и экономичен. Его применяют довольно часто, когда допустимый АГНЛ = 2. 5%.

Принципиальная схема ГЛИН с токостабилизирующим элементом на транзисторах

Рис. 5.11. Принципиальная схема ГЛИН с токостабилизирующим элементом на транзисторах

Более высокие показатели характерны для ГЛИН с токостабилизирующим элементом на биполярном транзисторе (рис. 5.11) [ 11). В этой схеме стабилизация тока заряда основного конденсатора С/ осуществляется с помощью обратной связи, созданной посредством включения конденсатора СО. Положительная обратная связь порождает появление компенсирующего напряжения на зарядном резисторе RK, пропорционального напряжению на основном конденсаторе UCj.

В исходном состоянии транзистор VT1 открыт и насыщен, в результате чего Ua = 0. Конденсатор СО через диод и резистор /?э заряжается до Uco = ?к, после чего 1/вых = 0.

При поступлении отрицательного импульса UM транзистор VT1 закрывается и начинается формирование прямого хода пилообразного напряжения за счет заряда С7 через диод и RK. Транзистор VT2 включен по схеме с обшим коллектором, так что будет повторять значения Ua? Это напряжение, складываясь с UCo, поступает на диод и закрывает его. После этого заряд С/ происходит по следующей цепи: VT2, СО и RK. Цепь заряда представляет собой токостабилизирующую структуру. Действительно, если напряжение на нижнем выводе RK равно иа, то на верхнем выводе будет Ua+ Uсо- Поскольку всегда СО» С/, то за время прямого хода Тр конденсатор СО почти не разряжается. В результате падение напряжения на резисторе RK практически нс меняется и остается равным Uсю- Ек, чем и определяется постоянство тока заряда. После окончания действия импульса UBX транзистор VT1 открывается, и С/ разряжается, формируя обратный ход пилообразного напряжения. Рассмотренный вариант ГЛИН обеспечивает Кил = I . 2 %.

Существуют и другие ГЛИН, построенные на основе приведенной схемы. В них часто используют дополнительный источник питания эмиттерной цепи VT2, вместо эмиттерного повторителя включают повторитель на ОУ и т.д. Большинство этих вариантов обеспечивают Кнл = 1. 2 % и Кп = 0,9.

При необходимости получить Кп > 1 можно использовать ГЛИН, со встроенным преобразователем напряжения (рис. 5.12) [11].

Полевые МД П-транзисторы VT1 и VT3 имеют индуцированный я-канал, a VT2 — встроенный. МДП-транзисторы VT1 и VT2 вместе с конденсатором С/ и резистором R1 образуют собственно ГЛИН, где токостабилизирующим элементом являете я VT2. МДП- транзистор VT3 вместе с диодом VD, конденсатором С2 и резистором R2 образуют цепь повышения напряжения (встроенный преобразователь напряжения).

Принципиальная схема ГЛИН с токостабилизирующими элементами на полевых транзисторах

Рис. 5.12. Принципиальная схема ГЛИН с токостабилизирующими элементами на полевых транзисторах

При поступлении на вход генератора положительного напряжения UBX транзисторы VT1 и VT3 открываются. Если перед этим конденсатор С1 был заряжен, то происходит его разряд, т.е. формируется обратный ход пилообразного напряжения ?/вых. Одновременно заряжается конденсатор С2 по следующей цепи: ?„, диод, С2, VT3, общая шина. В результате напряжение UC2 стремится к Еп. После окончания входного импульса транзисторы VT1 и VT3 закрываются. Напряжение UC2 будет складываться с Еп через резистор R2. Этим суммарным напряжением будет осуществляться заряд конденсатора Cl через резистор R1 и транзистор VT3. Постоянная времени заряда зависит как от номинала С7, так и от параметров VT2, R1 и R2. В результате формируется участок прямого хода пилообразного напряжения, у которого ?/вьгхтах стремится к 2Еп. Для успешной работы такого ГЛИН необходимо, чтобы С2 » С1.

Простейшие ГЛИН выполняются на основе ОУ (рис. 5.13, а). По существу такой ГЛИН является аналоговым интегратором, работа которого была рассмотрена в гл. 3.

На инвертирующий вход ОУ поступают двуполярные импульсы управления в виде меандра, сформированного симметричным мультивибратором (рис. 5.13, б). При положительном U^ формируется изменение напряжения ?/ВЬ1Х в виде линейно изменяющегося уменьшающегося напряжения. При отрицательной полярности входного напряжения формируется ход линейно возрастающего напряжения 1/вых. Процесс формирования линейного напряжения определяется постоянной времени интегрирования, которая во много раз больше постоянной времени заряда конденсатора. Таким образом, на выходе преобразователя получается двуполярное пилообразное напряжение с высоким качеством линейной зависимости и большой амплитудой колебаний.

Для стабилизации работы в ГЛИН на ОУ часто вводят стабилизирующие структуры ограничителей амплитуды. Дополнив рассмотренное устройство компаратором во входной цепи и ОС, связывающей выход ГЛИН со входом компаратора, нетрудно реализовать вариант автоколебательного генератора линейно изменяющегося напряжения.

Во многих случаях требуется иметь не линейное изменение напряжения, а линейное изменение тока, для получения которого необходимо реализовать большое сопротивление /?вых. Генератор такого типа называется генератором линейно изменяющегося тока. Он находит основное применение в отклоняющих системах электрон но-лучевых трубок.

В цепях мультивибраторов, блокинг-генераторов и других генераторах с релаксационными RС-цепями есть конденсаторы, с

ГЛИН на операционном усилителе

Рис. 5.13. ГЛИН на операционном усилителе: а — принципиальная схема; б — эпюры напряжений

Схемы генераторов пилообразных напряжений блоков развертки телевизоров на основе мультивибратора (а) и блокинг-генератора (б)

Рис. 5.14. Схемы генераторов пилообразных напряжений блоков развертки телевизоров на основе мультивибратора (а) и блокинг-генератора (б)

обкладок которых можно снять линейно изменяющееся напряжение. Таким образом, в качестве ГЛИН можно использовать мультивибратор (рис. 5.14, а). Например, несимметричный мультивибратор используют для кадровой развертки в некоторых марках телевизорах. Также для кадровой развертки в телевизорах ГЛИН на основе блокинг-гснератора (рис. 5.14, б).

2. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной формы (рис. 26.3, а). Напряжение пилообразной формы используется для создания разверток на экранах осциллографов, телевизоров и др. индикаторов, для преобразователей аналоговых величин в цифровые, преобразователей амплитуда — время и для др. целей. Рассмотрим принцип формирования такого напряжения.

Для формирования линейно изменяющегося напряжения чаще всего используют заряд или разряд конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 26.3, б. Она включает в свой состав идеальный источник тока I. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает по линейному закону:

В момент времени t = t1 ключ К замыкается и конденсатор разряжается через резистор R и ключ К по экспоненциальному закону.

Разработано много схем ГЛИН. Большими преимуществами обладают схемы на ОУ. В них в качестве источника постоянного тока применяются интеграторы на ОУ, а в качестве ключа – компараторы.

Схема интегратора на ОУ приведена на рис. 26.3, в. Очевидно, что ; . Так как , то , причем,

Мы уже установили, что для ОУ напряжение между входами . Поэтому Uвых = UC, причем,

Если напряжение на входе оу постоянное, то на его выходе формируется линейно изменяющееся напряжение

причем знак приращения обратный знаку входного напряжения.

Схема ГЛИН с внешним управлением приведена на рис. 26.4, а. На рис. 26.4, б приведены диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Схема состоит из компаратора и интегратора. Допустим, что в исходном состоянии напряжение на входе отсутствует: Uвх = 0. Под воздействием напряжения Е0 компаратор находится в состоянии отрицательного насыщения – Uвых.m. Это напряжение поступает на вход интегратора и вызывает заряд конденсатора С до напряжения .

Пусть в момент времени t1 на прямой вход поступает прямоугольный импульс, амплитуда которого Um > E0. Компаратор переходит в положительное насыщение, т. е. напряжение на его выходе . Это напряжение является входным для интегратора. Открывается диод D1, начинается перезаряд конденсатора С до . Напряжение UГЛИН убывает по линейному закону в соответствии с выражением:

По окончании импульса компаратор регенеративно переходит в отрицательное насыщение (под воздействием Е0). Диод D1 закрывается. Открывается диод D2. Начинается перезаряд конденсатора С до напряжения . Напряжение UГЛИН возрастает по линейному закону

Максимального значения оно достигает за время t = R2C. Если пауза , то ГЛИН переходит в устойчивое состояние ( ) до поступления следующего импульса управления.

Кроме рассмотренной схемы, часто применяются ГЛИН в автоколебательном режиме. Чтобы получить такой ГЛИН, достаточно в схему рис. 26.4, а ввести ОС – R3, R4 на прямой вход компаратора с выходов компаратора и интегратора (пунктирная линия на рис. 26.4, а). Напряжение обратной связи UОС будет определяться напряжением на выходе компаратора и напряжением на выходе интегратора UГЛИН. На рис. 26.4, в приведены графики напряжений, поясняющие работу генератора.

Пусть в момент времени t1 = 0 компаратор перешел в состояние отрицательного насыщения. Его . Открывается диод D2, и на интеграторе начинается формирование линейно нарастающего напряжения UГЛИН. Напряжение обратной связи UОС найдем методом суперпозиции:

где — линейно нарастающее напряжение UГЛИН.

Видим, что UОС также линейно нарастает. В момент времени t2 наступает равенство UOC = Е0. Компаратор переключается, напряжение его на выходе скачком изменяется до . Напряжение интегратора скачком измениться не может. Поэтому напряжение обратной связи скачком увеличивается до UOCm, причем

Напряжением открывается диод D1. На интеграторе начинается формирование линейно падающего напряжения. Напряжение UOC также

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *