ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЙ .

Генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют напряжения пилообразной формы.

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током.

Простейшая схема ГЛИН:

Рисунок. а)- простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения,

б)- временные диаграммы напряжений в схеме.

При разомкнутом ключе Кл конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает:

.

где t=0- момент начала заряда.

В момент t=t1 замыкается ключ Кл и конденсатор экспоненциально разряжается через ключ и резистор R, который введен в схему для ограничения разрядного тока. После разряда конденсатора до напряжения Uс(0)=0 ключ Кл может быть разомкнут, тогда начнется вновь процесс формирования линейно нарастающего напряжения.

Известны многочисленные варианты этой схемы отличающиеся только способами построения источника тока I и ключевого элемента. Большими технико- экономическими преимуществами обладают схемы ГЛИН, построенные на ИМС. Среди них широкое распространение получили схемы с ОУ.

В схеме интегратора конденсатор заряжается постоянным током, если на вход подано постоянное напряжение. При подаче на вход Uвх>0 напряжение на выходе уменьшается по линейному закону:

.

Выходное напряжение нарастает так же по линейному закону

Рассмотрим ГЛИН с внешним управлением:

Рисунок. Схема ГЛИН с внешним запуском(а) и временные диаграммы сигналов (б).

Uу- управляющее напряжение. Схема состоит из компаратора и интегратора. Длительность tи входного положительного импульса Uу определяет длительность стадии спада выходного напряжения Uглин (см.рис.б), длительность стадии нарастания Uглин равна паузе tп между импульсами Uу.

При поступлении входного напряжения, амплитуда которго Uуm>Ео компаратор переходит в состояние положительного насыщения U’=Uвых.mo. Открывается диод V1, и напряжение Uглин убывает по линейному закону, в (1) подставим R=R₁. Крутизна напряжения Uглин на интервале спада t1-t2:

Sс=dUглин/dt=-Uвых.мах/R₁C

При прекращении импульса Uу компаратор под воздействием напряжения Ео на инвертирующем входе переходит в состояние отрицательного насыщения U’=-Uвых.мах. Открывается диод V2 и интегратор формирует линейно нарастающее напряжение, в (2) подставим R=R₂. Крутизна нарастания Uглин на интервале t2-t3: Sн=dUглин/dt=Uвых.мах/R₂C.

ГЛИН с внешним управлением имеет важную принципиальную особенность. Установившийся режим достигается только в том случае, если равны DUглин на этапах нарастания или спада, в противном случае среднее значение выходного напряжения начинает нарастать (или убывать), что в конечном случае приводит к насыщению ОУ интнграатора. Условие устойчивой работы ГЛИН сводится к требованию: -tиSс=tпSн (3)

Учитывая возможную нестабильность крутизны и длительностей tи и tп, ориентироваться на невыполнение условия (3) в схеме (см.рис.а) нереально. В практических схемах максимальное и минимальное значения напряжения Uглин ограничивается. В схеме (см.рис.а) для ограничения Uглин введены стабилитроны V3 и V4. Напряжение между входами ОУ интегратора приблизительно равно нулю: U»0. При 0<Uглин<U₁, на стабилитроне V4 действует прямое напряжение Uаv₄»0, стабилитрон V3 смещен в обратном направлении и через цепочку стабилитронов протекает малый ток Iо»0.

Таким образом, стабилитроны в этом случае практически не влияют на процесс разряда конденсаторов. При достижении =U₊=|Uстv₃|, (где Uстv₃- напряжение стабилизации V3) V3 работает в режиме электрического пробоя, разряд конденсатора С прекращается и ток i_ОС=U’/R₁ переходит с конденсатора на цепочку стабилитронов. Таким образом, напряжение Uглин сверху ограничено значением U₊. Аналогично снизу напряжение Uглин ограничено значением U_-=-|Uстv₄|, где Uстv₄- напряжение стабилизации V4.

На рисунке б, справа, показана работа стабилитронного ограничителя в момент t5. Интервал паузы t4-t6 задан достаточно большим, поэтому в момент t5 напряжение ГЛИН достигается значение U₊. С приходом очередного импульса Uу начинается процесс формирования спада Uглин, процесс описывается выражением (1) при Uвых(0)=Uглин(t5)=U₊.

Помимо ГЛИН с внешним управлением часто применяется ГЛИН, работающий в автогенераторном режиме, т.е. без управляющего сигнала. Широкое распространение получила схема с ГЛИН на ОУ.

Эта схема отличается от рассмотренного выше ГЛИН наличием цепи обратной связи R₃R₄, которая связывает прямой вход компаратора с выходом компаратора и интегратора.

Найдем напряжение Uос методом суперпозиции: Uос=U₁+U₂.

Напряжение U₁ находим при Uглин=0, а напряжение U₂ при U’=0. Получим:

(4)

Временные диаграммы напряжения в схеме показаны на рисунке б. Начнем рассмотрение в момент t1, когда компаратор переходит в состояние отрицательного насыщения: U’=-Uвых.мах. При этом открывается диод V2, и на интеграторе начинается процесс формирования нарастающего напряжения Uглин. Напряжение Uос на интервале t1-t2 так же линейно нарастает в соответствии с выражением (4). Для момента t2 из (4) получим:

(5).

В этот момент t2 компаратор переключается, напряжение на его выходе скачком изменяется до значения U’=Uвых.мах. В соответствии с (4) скачком изменяется и напряжение Uос. Процесс переключения компаратора развивается регенеративно за счет ПОС через резистор R₄.

На интервале t2-t3 открыт диод V1. Интегратор формирует линейно убывающее напряжение Uглин. Напряжение Uос так же линейно убывает и при t=t3 выражение (4) сводится к виду:

(6).

Компаратор вновь регенеративно переключается, начинается формирование линейно нарастающего участка Uглин и т.д.

При расчете схемы ГЛИН в автогенераторном режиме выражения (5) и (6) позволяют связать значения U₊ и U_- со значениями R₃/R₄ и Ео. Крутизна спада Sс и нарастание Sн, а так же длительность участков нарастания и спада могут быть определены из (1) при подстановке Uвых(0)=U₊, R=R₁ и из (2) при подстановке Uвых(0)=U_-, R=R₂. Нетрудно убедиться, что при Ео=0: U₊=U_-.

Эту схему можно так же использовать и в качестве мультивибратора, тогда выходное напряжение снимается с выхода компаратора.

ГЛИН находят очень широкое применение в технике. На их основе строятся системы развертки электронно- лучевых трубок, устройства для испытания различных объектов на электрическую прочность. Очень большую роль в современной технике играют преобразователи различных физических величин в электрические сигналы, например, преобразователи напряжения во временной интервал, в число импульсов, в фазовый сдвиг.

В качестве примера таких устройств рассмотрим следующее импульсное устройство.

Рисунок. Схема преобразователя напряжения в ширину импульсов и число импульсов.

Устройство состоит из ГЛИН, связанного с компаратором К, на второй вход которого подается входной (преобразуемый) сигнал Uвх. Компаратор через диод связан с первым выходом схемы Rн₁ и с управляющей цепью ключа КЛ, который подключает мультивибратор МВ ко второму выходу Rн₂.

Компаратор К фиксирует равенство Uглин(t)=Uвх(t). В момент времени t2: Uглин=Sн, где t2-t1=tи. Отсюда: tи=Uвх/Sн.

При переключениях компаратора на его выходе формируются прямоугольные импульсы, длительность которых прямо пропорциональна текущему значению Uвх. При Uвых₁>0 замыкается ключ Кл и в нагрузку Rн₂ поступает пачка импульсов с выхода мультивибратора, число которых пропорционально интервалу tи и напряжению Uвх. Таким образом, устройство является преобразователем напряжения в число импульсов.