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%.

Пилообразное напряжение получают путем заряда и разряда конденсатора от источника стабильного напряжения Е. Если производить заряд конденсатора естественным образом, то закон заряда конденсатора C через резистор R ,будет экспоненциальный:

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.

Блокинг-генераторы

Блокинг-генератор представляет собой генератор импульсов тока или напряжения почти прямоугольной формы, обычно малой длительности и большой скважности. Скважность может меняться от единиц до тысяч и даже десятков тысяч. Длительность импульсов — от долей микросекунды до долей миллисекунды. Такую скважность не может обеспечить ни один другой импульсный генератор. Схема блокинг-генератора представляет собой однокаскадный ключ, охваченный глубокой положительной обратной связью, реализуемой трансформатором.

Блокинг-генератор, как и мультивибратор, может работать в автоколебательном или ждущем режиме. В качестве ключа используется, обычно биполярный транзистор, включенный по схеме ОЭ.

Схема автоколебательного блокинг-генератора на транзисторе приведена на рис.4.23. Коллекторной нагрузкой транзистора является первичная обмотка w_к трансформатора. Обратная связь реализуется при помощи базовой обмотки w_б, которая включена встречно по отношению к коллекторной. В цепь базы подключена времязадающая цепь RC, которая определяет частоту генерации. Нагрузка включена через выходную (обычно повышающую) обмотку w_к.

Условия самовозбуждения блокинг-генератора в общем виде:

Здесь — коэффициент трансформации трансформатора; j_к — сдвиг фазы сигнала, создаваемый ключом; j_п — сдвиг фазы сигнала, создаваемый импульсным трансформатором. Условие баланса фаз обеспечивается соответствующей фазировкой обмоток трансформатора, а условие баланса амплитуд — выбором транзистора с коэффициентом усиления b по току не менее величины

где и — входное сопротивление ключа и сопротивление нагрузки, приведенные к коллекторной обмотке w_к.

Блокинг-генератор формирует на коллекторе короткие импульсы, длительность которых t_U в первом приближении не зависит от времязадающей RC цепи:

Здесь L_к индуктивность коллекторной обмотки.

Длительность паузы между импульсами определяется, главным образом, параметрами времязадающей цепи и напряжением питания:

где — максимальное напряжение на конденсаторе, достигаемое за время действия импульса t_и.

Фронты генерируемых импульсов очень крутые. Длительность фронта импульса имеет минимальную величину при согласовании нагрузки с входным сопротивлением .

В момент запирания транзистора за счет ЭДС самоиндукции на коллекторе возникает отрицательный выброс напряжения. Для уменьшения этого выброса одну из обмоток w_к или w_н шунтируют диодом D, как это показано на рис. 4.23 штрихами.