ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения.

Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Генераторы прямоугольных импульсов делятся на мультивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Автоколебательные мультивибраторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или операционных усилителях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рис. 18.12.

Рис. 18.12 . Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ

В данной схеме с помощью резисторов R₁ и R₂ введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может быть равно либо +Е_пит, либо –Е_пит, где Е_пит – напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжение U₊₁, или напряжение U₊₂. Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, перезаряжается с постоянной времени τ=RC. Период следования импульсов Т определяется выражением

.

Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные импульсы напряжения.

Блокинг-генераторы используют для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч. Основным элементом таких генераторов является импульсный трансформатор (рис. 18.13).

Рис. 18.13. Автоколебательный блокинг-генератор

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режимах или в режиме синхронизации. Во время паузы (выходное напряжение отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по цепи E–R–W₂ с постоянной времени τ₁=RC. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С (и, следовательно, на базе транзистора) становится равным нулю, транзистор начинает открываться (выходить из режима отсечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает появление сигнала положительной обратной связи (через обмотку трансформатора W₂), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения. При этом конденсатор С перезаряжается по цепи W₂–C – входное сопротивление транзистора r_вх с постоянной времени τ₂=r_вх·С. При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце заряда транзистор выходит из насыщения и закрывается. После этого энергия, запасенная в индуктивности, разряжается на нагрузку. Так как r_вх<<R, то время нахождения транзистора в открытом состоянии t_u, а следовательно, и длительность импульса на нагрузке значительно меньше периода следования импульсов.

Генератор линейно изменяющегося напряжения. Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называют напряжение, которое в течение промежутка времени, называемого рабочим ходом, изменяется по линейному закону, а затем в течение промежутка времени, называемого обратным ходом, возвращается к исходному уровню.

Рис. 18.14. Линейно изменяющееся напряжение

На рис. 18.14 приняты следующие обозначения: U₀–начальный уровень, U_m–амплитуда ЛИН, Т_р–время рабочего хода, Т₀ –время обратного хода.

Устройства, предназначенные для формирования ЛИН, называют генераторами ЛИН (ГЛИН). Генераторы ЛИН часто называют генераторами пилообразного напряжения.

Принцип построения генераторов ЛИН основан на заряде емкости постоянным током. Основой ГЛИН (рис. 18.15) является емкость, через которую от источника постоянного тока ИТ протекает постоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом устройстве КУ напряжение на емкости определяется выражением

, (при i_с=I=const), т.е. изменяется по линейному закону.

ГЛИН могут работать либо в ждущем (рис. 18.15,а), либо в автоколебательном режиме (рис. 18.15,б). ГЛИН в автоколебательном режиме формирует ЛИН регулярно, а для получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме необходим внешний импульс напряжения U_вх.

Рис. 18.15. Генераторы линейно изменяющихся напряжений, работающих в ждущем (а) и автоколебательном (б) режимах

Все ГЛИН можно разделить на три типа:

а) с интегрирующей RC-цепочкой (рис. 18.15);

б) с токостабилизирующим двухполюсником (рис. 18.16);

в) с компенсирующей обратной связью (ОС) (рис. 18.17).

Рис. 18.16. ГЛИН на основе транзисторного ключа (с интегрирующей RC-цепочкой)

До момента времени t₁ транзисторный ключ находится в режиме насыщения, т.е. напряжение U_кэ, а значит, и напряжение U_вых, равны нулю. При подаче в момент времени t₁ запирающего импульса напряжения транзистор входит в режим отсечки, и емкость С заряжается от источника Е_к через резистор R_к, причем напряжение на емкости стремится к уровню Е_к. В момент времени t₂ транзистор вновь входит в режим насыщения, и емкость через малое сопротивление промежутка коллектор–эмиттер транзистора разряжается.

Рассмотрим принцип построения ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником, обеспечивающим протекание через него постоянного тока независимо от приложенного напряжения (рис. 18.17). Простейшим токостабилизирующим элементом является транзистор. При постоянном токе базы (например, i_бэ), даже при значительном уменьшении напряжения u_эк между эмиттером и коллектором (например, от U₂ до U₁) коллекторный ток транзистора уменьшается незначительно.

Рис. 18.17. ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником

Недостатком данной схемы является то, что при подключении к выходу (т.е. к емкости С) сопротивления нагрузки искажается линейность выходного напряжения.

Рассмотрим ГЛИН с компенсирующей ОС (на основе ОУ) (рис. 18.18). В момент времени t₁ ключ К размыкается и осуществляется и осуществляется прямой ход, а в момент времени t₂ ключ замыкается, емкость С разряжается и на выходе устанавливается нулевое напряжения. Емкость С заряжается постоянным током, а значит, напряжение на ней (как и напряжение U_вых) изменяется по линейному закону (рис. 18.18,б). Компенсирующее напряжение U_к повторяет напряжение на емкости U_c при размыкается ключа и заряде емкости от источника U. Поскольку компенсирующее напряжение включено встречно по отношению к напряжению на емкости, то напряжение, приложенное к резистору R, все время постоянно и равно U.

Рис. 18.18. ГЛИН с компенсирующей обратной связью

Протекающий через резистор R ток определяется выражением

i_R=(E-U_вх)/R.

Если ОУ близок к идеальному, (К→ ∞, U_вх→ 0, i_–→ 0), то i_R=E/R=const. Тогда выходное напряжение определяется выражением

.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа. 1991.

2. Ибрагим К.Ф. Основы электронной техники. Схемы. Системы. – М.: Мир. 2001.

3. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. – М.: Ростов-на-Дону, «Феникс». 2001.

4. Осадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая схемотехника. – М.: Прямая линия. 1999.

5. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: Корона-принт. 1998.

6. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. – М.: Мир. 1988.