Генераторы могут работать в режиме самовозбуждения или ждущем режиме, когда период следования импульсов пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами.

Пилообразным напряжением называют электрические колебания (импульсы), которые вырабатываются посредством преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний.

Напряжение пилообразной формы - это напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем возвращается к исходному уровню (рис. 1).

Рис. 1. Параметры ПН

Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим или линейно падающим и характеризуется основными параметрами:

Длительностями прямого (рабочего) и обратного хода

Амплитудой выходного напряжения

Период повторения Т

Начальный уровень U 0

Коэффициент нелинейности E, характеризующий степень отклонения реального пилообразного напряжения, от напряжения изменяющегося по линейному закону.

V max = при t=0 и V min = при t= t пр – скорости изменения пилообразного напряжения соответственно в начале и в конце прямого хода.

Независимо от практической реализации все типы ГПН можно представить в виде единой эквивалентной схемы (рис.2)

В нее входит источник питания E, зарядный резистор R, который можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника питании, конденсатор С – накопитель энергии, электронный ключ К и разрядный резистор r сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению замкнутого ключа.

Рис. 2. Эквивалентная схема ГПН

В исходном состоянии ключ К замкнут и на конденсаторе устанавливается начальный уровень напряжения

При размыкании ключа конденсатор начинает разряжаться через разрядный резистор r и напряжение на нем меняется по экспоненциальному закону

,

где
- постоянная времени цепи зарядки конденсатора.

В настоящее время ГПН с малым значением коэффициента нелинейности и его незначительной зависимостью от сопротивления нагрузки создают на основе интегральных усилителей.

Генератор на основе ОУ как правило строятся по схеме интегратора (для малых коэффициентов нелинейности и низкоомной нагрузкой).

Предлагаемая схема и диаграммы ее работы имеют вид рис.2:

В этой схеме выходное напряжение представляет собой усиленное операционным усилителем напряжение на конденсаторе С. ОУ охвачен как (R1, R2, источник Е 0), так и (R3, R4, источник Е 3). Управление работой ГПН осуществляется с помощью транзистора VT1

Управление работой ГПН осуществляется при помощи ключевого устройства (КУ) на транзисторе VT 1 .

Ключевое устройство может быть реализовано на биполярном транзисторе, управляемый импульсами положительной полярности.

Транзистор (КУ) насыщен (открыт) при положительных полупериодах U вх, а при отрицательных находится в режиме отсечки (закрыт), при этом фронт пилообразных напряжений будет формироваться в момент времени действие отрицательного импульса на входе (КУ). В паузах между входными импульсами транзистор закрыт, и конденсатор заряжается током от источникаE. и резистор R3.

Напряжение , образуемое на конденсаторе, поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя, работающего в линейном режиме с коэффициентом усиления по неинвертирующему входу

В результате на выходе усилителя создается напряжение
, а на резистореR4 – напряжение, равное

,

которое создает ток , протекающий через конденсатор в том же направлении, что и ток.

Следовательно, ток зарядки конденсатора в паузах между входными импульсами равен

.

По мере зарядки конденсатора ток уменьшается, а напряжение на конденсаторе и на входе операционного усилителя увеличиваются. Если коэффициент усиления по инвертирующему входу больше единицы, то напряжение на резистореR4 и протекающий через него ток также увеличиваются. При подборе коэффициента усиления можно обеспечить высокую линейность пилообразного напряжения.

Работа гпн.

Рассмотрим работу ГПН на примере нашей схемы для формирования требуемой длительности обратного хода дополним эммитерную цепь транзистора VT 1 сопротивлением R6. Сопротивление R5 ограничивает ток базы транзистора в режиме насыщения. Рассмотрим процессы происходящие в данной схеме. Пусть на входе действует импульс длительности , приводящий к отпиранию транзистора. При условии, незначительного падения напряжения на открытых переходах транзистора, напряжение на конденсаторе в начальный момент времени, приближенно равно падению на сопротивленииR6

. (1)

В силу обратной связи, ток коллектора транзистора равен

. (2)

В свою очередь, токи через соответствующие сопротивления определяются выражениями

,
. (3)

Амплитуда управляющего импульса должна быть больше величины

. (4)

При этом на выходе схемы имеется постоянный уровень напряжения равный

. (5)

В момент времени транзистор запирается, и конденсатор начинает заряжаться. Процессы, протекающие в схеме, описываются следующими уравнениями

,

,

. (6)

Из (6) получаем

Введем обозначения
,
,
, тогда полученное уравнение можно переписать в виде

. (7)

Это неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка, решение которого имеет вид

. (8)

Постоянную интегрирования найдем из начальных условий (1). Т.к. в начальный момент времени
, то
, следовательно, (8) можно записать, как

.

Тогда напряжение на выходе будет меняться по закону

(9)

Здесь
имеет тот же смысл, что и ранее.

Поскольку напряжение на выходе системы через время рабочего хода должно равняться величине
, где
- амплитуда пилообразного напряжения, то, решая (9) относительно времени, получим

. (10)

Аналогично для цепи разряда, принимая во внимание что
и
.

2. Расчет схемы.



Для правильной работы схемы требуется, чтобы коэффициент усиления по инвертирующему входу был больше единицы. Пусть
, выберем резисторR2 на номинал 20 кОм, тогда R1= 10 кОм.

Рассчитаем коэффициент усиления по неинвертирующему входу .

Требуется обеспечить коэффициент нелинейность 0,3 % , тогда постоянная времени заряда конденсатора должна быть не меньше величины

3. 

   Тогда напряжение на выходе будет менятся по закону:

4. ,

   Так если задать
   В, то
   = 1067

   тогда К = = = 0,014 при условии напряжения питания в цепи транзистора 15 В.

   Принимая во внимание полученные ранее обозначения, рассчитаем сопротивление соотношение сопротивлений R3 и R4

   .

   Зададимся сопротивлением в цепи коллектора транзистора R3 = 10 кОм, тогда получаем, что R4 = 20 кОм.

   В свою очередь с, следовательно, емкость конденсатора составит порядка 224 пФ, выбираем 220 пФ.

   Перейдем к расчету цепи разряда. Для цепи разряда справедливо

   . (13)

   Подставим в (13) формулы из (11), разрешим относительно R6, получим

   .

   Откуда следует, при подстановке численных значений, что R6 = 2 мОм.

   Получим выражение для времени обратного хода

   , (11)

   где
   ,
   ,
   .

   Если выражение (9) продифференцировать по времени и умножить на С1, то коэффициент нелинейности напряжения, будет определяться формулой

   t p /,где =RC

   Исходя из проведенных исследований, перейдем к расчету параметров и выбору элементов схемы.

   Ток, протекающий в момент, когда транзистор открывается, через сопротивление R6 оценим исходя из следующих рассуждений. В момент переключения все напряжение на конденсаторе приложено к сопротивлению, поэтому через него потечет ток
   мкА.

   В качестве ключа можно использовать транзистор с подходящими параметрами типа КТ342Б. Резистор R5, ограничивающий ток базы, выберем порядка 1 кОм. Поскольку максимальный ток коллектора 50 мА, а коэффициент усиления по току 200, то ток насыщения базы будет равен 250 мкА, следовательно на резисторе напряжение составит 0,25 В. Примем напряжение насыщения база-эммитер – 1 В. Падение напряжения на сопротивлении R6, при максимальном токе протекающем через R3 и R4 добавленному к R6 составит 6,08 В. Таким образом, для надежного отпирания транзистора и его удержания в открытом состоянии требуется импульс амплитудой 8 В.

В баллоне создается глубокий вакуум, необходи­мый для беспрепятственного пролета электронов. Электронный прожектор трубки состоит из катода, управляющего электрода и двух анодов и располага­ется в узкой удлиненной части баллона. Катод К изготовляется в виде небольшого никелевого ци­линдра, на торцевую часть которого наносится оксидный слой, испускающий при нагреве электроны. Катод заключен в управляющий электрод (модуля­тор) М также цилиндрической формы. В торце управляющего электрода имеется маленькое отверс­тие (диафрагма), через которое проходит электрон­ный луч. На управляющий электрод подается несколько десятков вольт отрицательного но отношению к катоду напряжения, с помощью которого регулируется яркость свечения пятна на экране трубки. Управляющий электрод действует подобно управляющей сетке электронной лампы. При некотором значении этого напряжения происходит запирание трубки, и светящееся пятно исчезает. Указанная регулировка выносится на переднюю па­нель осциллографа и снабжается надписью «Яр­кость».

Предварительная фокусировка электронного луча производится в пространстве между модулятором и первым анодом. Электрическое поле между этими электродами прижимает электроны к оси трубки и они сходятся в точку О на некотором расстоянии от управляющего электрода (рис. 33.2). Дальнейшая фо­кусировка луча выполняется системой двух анодов А 1 и А 2

На аноды подается положительное ускоряющее напряжение (на первый

300-1000 В, на второй 1000-5000 В и более). Так как потенциал второго анода А 2 выше потенциала первого анода А 1 , то электрическое поле между ними будет направлено от второго анода к первому. Электроны, попавшие в такое электрическое поле, будут откло­няться им в направлении к оси трубки и получать ускорение в направлении движения к экрану. Таким образом, действие системы анодов эквивалентно действию оптической системы из собирательной и рассеиваю­щей линз. Поэтому фокусирующую систему анодов электронно-лучевой трубки иногда называют элект­ронно-статической линзой. Точная фокусировка луча производится изменением напряжения на первом аноде. Эта регулировка выносится на переднюю панель осциллографа и снабжается надписью «Фо­кус».

Сформированный электронный луч после второго анода попадает в пространство между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин Х 1 Х 2 и У 1 У 2 , называемых электростатической откло­няющей системой. Первая пара плас­тин Х 1 Х 2 , расположенных вертикально, вызывает отклонение луча в горизонтальном направлении. Пластины второй пары У 1 У 2 , расположенные гори­зонтально, вызывают отклонение луча в вертикаль­ном направлении. Когда к паре пластин подводится постоянное напряжение , то электронный луч отклоня­ется в сторону пластины, находящейся под положи­тельным потенциалом, что приводит к соответствую­щему перемещению светящегося пятна на экране.

Когда на пластины подается переменное напряже­ние, перемещение светящегося пятна по экрану образует светящиеся линии.

Экран Э электронно-лучевой трубки представляет собой стеклянную поверхность, покрытую с внутрен­ней стороны тонким слоем специального вещества (люминофора), способного светиться при бомбарди­ровке его электронами.

Для получения изображения на экране труб­ки исследуемое напряжение сигнала подают на вертикально отклоня­ющие пластины У 1 У 2 , а па пластины Х 1 Х 2 - пи­лообразное напряжение называемое напряже­нием развертки (рис. 33.3).

На участке АВ напряжение развертки линейно зависит от времени, и под действием этого напряжения световое пятно переме­щается по экрану трубки вдоль горизонтальной оси пропорционально времени. На участке ВС напряже­ние развертки резко падает, а световое пятно возвращается в исходное положение.

Положения 0, 1, 2, ...светового пятна на экране трубки в соответствующие моменты времени опреде­ляются мгновенными значениями исследуемого и развертывающего напряжений.

Если период развертки Тр выбран кратным пе­риоду исследуемого напряжения, то осциллограммы, получаемые в последующие периоды, накладываются друг на друга и на экране наблюдается устойчивое и четкое изображение исследуемого процесса

Генератор пилообразного напряжения для варикапов.

При работе с высокочастотным генератором, перестраеваемым варикапом, потребовалось изготовить для него управляющий генератор пилообразного напряжения. Схем генераторов "пилы" существует великое множество, но ни одна из найденных не подошла, т.к. для управления варикапом требовался размах выходного напряжения в пределах 0 - 40В при питании от 5В. В результате раздумий получилась вот такая схема.

Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяестся резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел). Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится... микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а неинвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0. Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхро-импульса на выводе GP2 амплитудой 5В. Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и может изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 мГц. При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К - 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.
Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В. Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.
Генератор собран на плате размером 32х36 мм. Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы. При сборке следует в первую очередь установить микроконтроллер DD1. Затем к проводникам платы временно подпаивают провода от разъема программатора и загружают прилагаемую программу. Отладка программы производилась в среде MPLAB, для загрузки использовался программатор ICD2.

Хотя описанное устройство и решило поставленную задачу и поныне успешно работает в составе свип-генератора, для расширения его возможностей приведенная схема может рассматриваться скорее как идея. Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала. При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В (что было одним из требований к устройству). Для термостабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напяжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

Тема: Генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока.

Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (ГПИ).

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Генераторы линейно изменяющегося тока.

Литература:

Брамер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа,1985. (220 -237).

Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 249-261,267-271.

1. Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (гпи).

Напряжением пилообразной формы называется такое напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется по линейному закону (возрастает или убывает), а затем возвращается к исходному уровню.

Различают:

линейно-возрастающее напряжение;

линейно-падающее напряжение.

Генератор пилообразных импульсов - устройство, формирующее последовательность пилообразных импульсов.

Назначение генераторов пилообразных импульсов.

Предназначены для получения напряжения и тока, изменяющегося во времени по линейному закону.

Классификация генераторов пилообразных импульсов:

По элементной базе:

на транзисторах;

на лампах;

на интегральных микросхемах (в частности, на ОУ);

По назначению:

генераторы пилообразного напряжения (ГПН) (другое название - генераторы линейно изменяющегося напряжения - ГЛИН);

генераторы пилообразного тока (ГПТ) (другое название - генераторы линейно изменяющегося тока - ГЛИТ);

По способу включения коммутирующего элемента:

последовательная схема;

параллельная схема;

По способу повышения линейности формируемого напряжения:

с токостабилизирующим элементом;

компенсационного типа.

Устройство генераторов пилообразных импульсов:

В основе построения лежит электронный ключ, коммутирующий конденса­тор с заряда на разряд.

Принцип действия генераторов пилообразных импульсов.

Т.о., принцип получения возрастающего или падающего напряжения объясняется процессом заряда и разряда конденсатора (интегрирующего цепь). Но, т.к. поступление импульсов на интегрирующую цепь необходимо коммутировать, ис­пользуется транзисторный ключ .

Простейшие схемы генераторов пилообразных импульсов и их функционирование.

Схематично функционирование ГПИ выглядит следующим обра­зом:

Параллельная схема:

При размыкании электронного ключа конденсатор медленно, через сопротивление R заряжается до величины Е, формируя при этом пило­образный импульс. При замыкании электронного ключа конденсатор быстро разряжается через него.

Выходной импульс имеет следующую форму:

При смене полярности источника питания Е форма выходного сигнала будет симметрична относительно оси времени.

Последовательная схема:

При замыкании электронного ключа конденсатор быстро заряжается до величины источника питания Е, а при размыкании - разряжается через сопротивление R, формируя при этом линейно падающее напряжение пилообразной формы, которое имеет вид:

При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения U вых (t) изменится на линейно возрастающее напряжение.

Таким образом, видно (можно отметить как один из главных недостатков), что чем боль­ше амплитуда напряжения на конденсаторе, тем больше нелинейность импульса. Т.е. необходимо формиро­вать выходной импульс на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.

ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ - генератор линейно изменяющегося (тока), электронное устройство, формирующее периодич. напряжения (тока) пилообразной формы. Осн. назначение Г. п. н.- управление временной развёрткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. Г. п. н. применяют также в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов. Для получения пилообразного напряжения используют процесс (разряда) конденсатора в цепи с большой постоянной времени. Простейший Г. п. н. (рис. 1, а) состоит из интегрирующей цепи RC и транзистора, выполняющего функции ключа, управляемого периодич. импульсами. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор - эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 1, б). При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением - Е к - прямой (рабочий) ход. Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С , изменяется по закону. По окон чании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер - коллектор. Осн. характеристики Г. п. н.: амплитуда пилообразного напряжения, коэф. нелинейности и коэф. использования напряжения источника питания. При в данной схеме

Длительность прямого хода T р и частота пилообразного напряжения определяются длительностью и частотой коммутирующих импульсов.

Недостатком простейшего Г. п. н. является малый k E при малом. Требуемые значения е лежат в пределах 0,0140,1, причём наименьшие значения относятся к устройствам сравнения и задержки. Нелинейность пилообразного напряжения во время прямого хода возникает из-за уменьшения зарядного тока вследствие уменьшения разности напряжений. Приблизительного постоянства зарядного тока добиваются включением в цепь заряда нелинейного токостабилизирующего двухполюсника (содержащего транзистор или электронную лампу). В таких Г. п. н. и . В Г. п. н. с положит. обратной связью по напряжению выходное пилообразное напряжение подаётся в зарядную цепь в качестве компенсирующей эдс. При этом зарядный ток почти постоянен, что обеспечивает значения 1 и =0,0140,02. Г. п. н. используют для развёртки в электронно-лучевых трубках с эл--магн. отклонением луча. Чтобы получить линейное отклонение, необходимо линейное изменение тока в отклоняющих катушках. Для упрощённой эквивалентной схемы катушки (рис. 2, а) условие линейности тока выполняется при подаче на зажимы катушки трапецеидального напряжения. Такое трапецеидальное напряжение (рис. 2, б )можно получить в Г. п. н. при включении в зарядную цепь дополнит. сопротивления R д (показано на рис. 1, а пунктиром). Отклоняющие катушки потребляют большие токи, поэтому генератор трапецеидального напряжения дополняют усилителем мощности.

Низких частот предназначены для получения на выходе устройства периодических низкочастотных электрических сигналов с заданными параметрами (форма, амплитуда, частота сигнала).

КР1446УД1 (рис. 35.1) представляет собой сдвоенный гай- to-rail ОУ общего назначения. На основе этой микросхемы могут быть созданы устройства разнообразного назначения, в частности, электрических колебаний, которых приведены на рис. 35.2-35.4 . (рис. 35.2):

♦ одновременно и синхронно вырабатывает импульсы напряжения прямоугольной и пилообразной формы;

♦ имеет единую для обоих ОУ искусственную среднюю точку, образованную делителем напряжения R1 и R2 .

На первом из ОУ построен , на втором - Шмитта с широкой петлей гистерезиса (U raCT =U nHT ;R3/R5), точными и стабильными порогами переключения. Частота генерации определяется по формуле:

f =———– и составляет для указанных на схеме номиналах 265 Ги. С

Рис. 35.7. Цоколевка и состав микросхемы КР 7446УД7

Рис. 35.2. генератора прямоугольных- треугольных импульсов на микросхеме КР1446УД 7

изменением напряжения питания от 2,5 до 7 В эта частота изменяется не более чем на 1 %.

Усовершенствованный (рис. 35.3) вырабатывает импульсы прямоугольной формы, причем их частота от величины управляющего

Рис. 35.3. управляемого генератора прямоугольных импульсов

входного напряжения по закону

При изменении

входного напряжения от 0,1 до 3 В частота генерации линейно возрастает от 0,2 до 6 кГц .

Частота генерации генератора прямоугольных импульсов на микросхеме КР1446УД5 (рис. 35.4) линейно от величины приложенного управляющего напряжения и при R6=R7 определяется как:

5 В частота генерации линейно возрастает от 0 до 3700 Гц .

Рис. 35.4. генератора, управляемого напряжением

Так, при изменении входного напряжения от 0,1 до

На основе микросхем TDA7233D, используя в качестве единой основы базовый элемент, рис. 35.5, а, можно собрать достаточно мощные импульсов (), а также напряжения, рис. 35.5 .

Генератора (рис. 35.5, 6, верхняя) работает на частоте 1 кГц, которая определяется подбором элементов Rl, R2, Cl, С2. Емкость переходного конденсатора С задает тембр и громкость сигнала.

Генератора (рис. 35.5, б, нижняя), вырабатывает двухтональный сигал при условии индивидуального подбора емкости конденсатора С1 в каждом из использованных базовых элементов, например, 1000 и 1500 пФ.

Напряжения (рис. 35.5, в) работают на частоте около 13 кГц (емкость конденсатора С1 снижена до 100 пФ):

♦ верхний - вырабатывает отрищ гельное относительно общей шины напряжение;

♦ средний - вырабатывает удвоенное относительно напряжения питания положительное;

♦ нижний - вырабатывает в зависимости от коэффициента трансформации разнополярное равновеликое напряжение с гальванической (при необходимости) развязкой от источника питания.

Рис. 35.5. нештатного применения микросхем TDA7233D: а – базовый элемент; б - в качестве генераторов импульсов; в - в качестве преобразователей напряжения

При сборке преобразователей следует учитывать, что на диодах выпрямителей теряется заметная часть выходного напряжения. В этой связи в качестве VD1, VD2 рекомендуется использовать Шоттки. Ток нагрузки бестрансформаторных преобразователей может достигать 100-150 мА.

Прямоугольных импульсов (рис. 35.6) работает в диапазонах частот 60-600 Гц\ 0,06-6 кГц; 0,6-60 кГц . Для коррекции формы генерируемых сигналов может быть использована цепочка (нижняя часть рис. 35.6), подключаемая к точкам А и В устройства.

Охватив ОУ положительной обратной связью, нетрудно перевести устройство в режим генерации прямоугольных импульсов (рис. 35.7).

Импульсов с плавной перестройкой частоты (рис. 35.8) может быть выполнен на основе микросхемы DA1 . При использовании в качестве DA1 1/4 микросхемы LM339 регулировкой потенциометра R3 рабочая частота перестраивается в пределах 740- 2700 Гц (номинал емкости С1 в первоисточнике не указан). Исходная частота генерации определяется произведением C1R6.

Рис. 35.8. широкодиапазонного перестраиваемого генератора на основе компаратора

Рис. 35.7. генератора прямоугольных импульсов на частоту 200 Гц

Рис. 35.6. НЧ-генератора прямоугольных импульсов

На основе компараторов типа LM139, LM193 и им подобных могут быть собраны:

♦ прямоугольных импульсов с кварцевой стабилизацией (рис. 35.9);

♦ импульсов с электронной перестройкой .

Стабильных по частоте колебаний или так называемый «часовой» прямоугольных импульсов может быть выполнен на компараторе DAI LTC1441 (или ему подобном) по типовой схеме, представленной на рис. 35.10. Частота генерации задается кварцевым резонатором Ζ1 и составляет 32768 Гц. При использовании линейки делителей частоты на 2 на выходе делителей получают прямоугольные импульсы частотой 1 Гц. В небольших пределах рабочую частоту генератора можно понижать, подключая параллельно резонатору небольшой емкости.

Обычно в радиоэлектронных устройствах используют LC и RC- . Менее известны LR- , хотя на их основе могут быть созданы устройства с индуктивными датчиками,

Рис. 35.11. LR-генератора

Рис. 35.9. генератора импульсов на компараторе LM 7 93

Рис. 35.10. «часового» генератора импульсов

Обнаружители электропроводки, импульсов и т. д.

На рис. 35.11 приведена простого LR-геиератора прямоугольных импульсов, работающего в диапазоне частот 100 Гц - 10 кГц . В качестве индуктивности и для звукового

контроля работы генератора используется телефонный капсюль ТК-67. Перестройка частоты осуществляется потенциометром R3.

Работоспособен при изменении напряжения питания от 3 до 12,6 В. При понижении напряжения питания с 6 до 3-2,5 В верхняя частота генерации повышается с 10-11 кГц до 30-60 кГц.

Примечание.

Диапазон генерируемых частот может быть расширен до 7-1,3 МГц (для микросхемы ) при замене телефонного капсюля и резистора R5 на катушку индуктивности. В этом случае при отключении диодного ограничителя на выходе устройства можно получить сигналы, близкие к синусоиде. Стабильность частоты генерации устройства сопоставима со стабильностью RC-генераторов.

Звуковых сигналов (рис. 35.12) могут быть выполнены К538УНЗ . Для этого достаточно вход и выход микросхемы соединить конденсатором или его аналогом - пьезокерамическим капсюлем. В последнем случае капсюль выполняет также роль звукоизлучагеля.

Частоту генерации можно менять, подбирая емкость конденсатора. Параллельно или последовательно пьезокерамическому капсюлю для подбора оптимальной частоты генерации можно включить . Напряжение питания генераторов 6-9 В.

Рис. 35.72. звуковых частот на микросхеме

Для экспресс-проверки ОУ может быть использована генератора звуковых сигналов, представленная на рис. 35.13 . Тестируемую микросхему DA1 типа , у или иных, имеющих аналогичную цоколевку, вставляют в панельку, после чего включают питание. В случае, если исправна, пьезокерамический капсюль НА1 излучает звуковой сигнал.

Рис. 35.13. звукового генератора - испытателя ОУ

Рис. 35.14. генератора прямоугольных импульсов на ОУКР1438УН2

Рис. 35.15. генератора синусоидальных сигналов на ОУКР1438УН2

Сигналов прямоугольной формы на частоту 1 кГц, выполненный на микросхеме КР1438УН2, показан на рис. 35.14 . стабилизированных по амплитуде синусоидальных сигналов на частоту 1 кГц приведен на рис. 35.15 .

Генератора , вырабатывающего сигналы синусоидальной формы, представлена на рис. 35.16. Этот работает в диапазоне частот 1600-5800 Гц, хотя при частотах свыше 3 кГц форма сигнала все более отдаляется от идеала, а амплитуда выходного сигнала падает на 40 %. При десятикратном увеличении емкостей конденсаторов С1 и С2 полоса перестройки генератора с сохранением синусоидальной формы сигнала понижается до 170-640 Гц при неравномерности амплитуды до 10 %.

Рис. 35.7 7. генератора синусоидальных колебаний на частоту 400 Гц

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент образования, науки и молодежной политики

Воронежской области

ГОБУ СПО ВО «Борисоглебский техникум промышленных и информационных технологий»

Курсовой проект

по дисциплине: «Проектирование цифровых устройств»

Тема: «Генератор пилообразного напряжения»

Борисоглебск 2015.

Введение

В наши дни большое место в мире радиоэлектронной аппаратуры занимают телевизионные приемники. Телевидение самая широкая область радиоэлектроники. Сейчас в каждом доме есть телевизор, и он является самым основным источником информации. При конструировании телевизионного приемника согласуются с десятками наук и тем радиоэлектроники. А одной из основных наук является «Импульсная техника» и тема: «Генераторы пилообразного напряжения или тока». В телевизоре это блоки развертки - строчной и кадровой. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) используются также в развертывающих устройствах осциллографа. Генераторы данного вида используются также при ремонте настройке и наладке различного оборудования оргтехники. Тема курсового проекта «Генератор пилообразного напряжения» крайне важна и актуальна, так как данное устройство необходимо на каждом рабочем месте наладчика электронной аппаратуры.

1 . Анализ аналогов генератора пилообразного напряжения.

1.1 Анализ аналога генератора пилообразного напряжения 1

1.1.1 Принципиальная схема

В качестве первого аналога рассмотрим генератор пилообразного напряжения на транзисторах

Рис. 1 - Принципиальная схема ГПН

Генератор (см. рис 1) обеспечивает получение пилообразного напряжения с хорошей линейностью. Пилообразное напряжение снимают непосредственно с конденсатора С2. На резисторе R2 в моменты разряда конденсатора возникают импульсы, которые могут быть использованы для синхронизации.

1.1.2 Принцип работы схемы ГПН

Транзистор Т1 генератора с резистором R1 в цепи эмиттера представляет собой источник тока с выходным сопротивлением, равным нескольким мегомам. Током этого источника заряжается конденсатор С2.

Ввиду большого выходного сопротивления источника тока обеспечивается хорошая линейность напряжения заряда.

Когда напряжение на конденсаторе С2 достигает величины, при которой открывается однопереходный транзистор Т2, происходит быстрый разряд конденсатора.

Частота повторения колебаний регулируется резистором R3 (регулировкой тока заряда конденсатора С2). Эта частота не зависит от колебаний напряжения питания, поскольку и напряжение, при котором открывается транзистор Т2, и ток заряда при этом изменяются пропорционально, компенсируя влияние друг друга на частоту повторения.

Пилообразное напряжение снимают непосредственно с конденсатора С2. На резисторе R2 в моменты разряда конденсатора возникают импульсы, которые могут быть использованы для синхронизации.

При номиналах деталей, указанных на схеме, частота повторения может изменяться в пределах 0,1--4 кГц; размах пилообразного напряжения составляет 10 В, амплитуда синхронизирующих импульсов -- 5 В.

1.1.3 Функциональная схема ГПН

Анализируя принципиальную схему, функционально ее можно разбить на 3 основные части.

Рис. 2 - Части принципиальной схемы

Рис. 3 - Функциональная схема ГПН

РЧК - Регулировка частоты колебаний

ИТ - Источник тока с вых. сопротивлением несколько МОм

1.2 Анализ аналога генератора пилообразного напряжения на микроконтроллере

1.2.1 Принципиальная схема ГПН

Принципиальная схема индикатора выглядит следующим образом:

Рис. 4 - Принципиальная схема ГПН

1.2.2 Принцип работы ГПН

Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяется резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел).

Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится... микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

Рис. 5 - Осциллограммы импульсов ГПН

Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а не инвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0.

Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхроимпульса на выводе GP2 амплитудой 5В.

Рис. 6 - Печатная плата ГПН обр. сторона

Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и моет изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 МГц. При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К - 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.

Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В.

Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.

Генератор собран на плате размером 32х36 мм.

Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы (рис 6).

Рис. 7 - Печатная плата ГПН лиц. сторона

Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала.

При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В.

Для терм стабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напряжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

1.2.3 Функциональная схема ГПН

Анализируя принципиальную схему, функционально ее можно разбить на 4 основные части.

Рис. 8 - Функциональные части принципиальной схемы ГПН

генератор напряжение микроконтроллер индикатор

Исходя из анализа схемы (ГПН) можем составить функциональную схему устройства.

Рис. 9 - Функциональная схема ГПН

ФПН - Формирователь пилообразного напряжения

М - Микроконтроллер

УН - Усилитель напряжения

ИП - Импульсный преобразователь

2 . Разработка структурной функциональной схемы цифрового устройства

2.1 Построение функциональной схемы

На основание анализа существующих приборов, составим собственную схему. Функциональная схема будет выглядеть следующим образом

Рис. 10 - Функциональная схема ГПН

ДН - Делитель напряжения

ТГ - Триггер Шмита

ДЦ - Диодно-резисторная цепь

ИТ - Интегратор

2.2 Ф ункциональные части устройства

Делитель напряжения

Рис. 11 - Делитель напряжения

Делить напряжения состоит из 2 резисторов R1 и R2. На инвертирующий вход ОУ DA1 и прямой вход ОУ DA2 подаётся половина напряжения питания с делителя напряжения. Благодаря нему не требуется дополнительный источник питания

Триггер Шмита

Триггер Шмита собран на операционном усилителе. И играет роль формирователя пилообразного напряжения

Рис. 12 - Триггер Шмита

Диодно-резисторная цепь

С помощью Диодно-резисторной цепи можно задать нужную форму и частоту импульсов.

Рис. 13 - Диодно-резисторная цепь

Интегратор собран на операционном усилителе

Рис. 14 - Интегратор

3 . Принципиальная схема генератора пилообразного напряжения

3.1 Принципиальная схема генератора ГПН

Исходя из рассмотренных выше функциональных узлов можно составить принципиальную схему генератора ГПН.

Рис. 15 - Принципиальная схема ГПН

Элементы на схеме

R1, R2 - Делитель напряжения

R4, R5, D1, D2 - Диодно-резисторная цепь

R6 - С помощью него схема охвачена обратной связью

C1 - Конденсатор обратной связи

C2 - Фильтр

3.2 Описание схемы ГПН

Этот генератор пилообразного напряжения может найти применение в различных схемах, например, в ШИМ, в качестве генератора развёртки, в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов.

Схема генератора изображена на рисунке 15. Он состоит из триггера Шмита на операционном усилителе DA1, и из интегратора, собранного на операционном усилителе DA2. Оба ОУ соединены последовательно через диодно-резисторные цепи D1, D2, R4, R5 и с помощью резистора R6 схема охвачена обратной связью.

На инвертирующий вход ОУ DA1 и прямой вход ОУ DA2 подаётся половина напряжения питания с делителя напряжения, собранного на резисторах R1, R2, что позволяет обойтись одним источником питания.

Номиналы элементов

3.3 Принцип работы ГПН

При включении питания конденсатор С1 разряжен, он начинает заряжаться через цепочку D2R5 и выход усилителя DA1, на котором установилось низкое напряжение, другой вывод конденсатора С1 подключён к выходу ОУ DA2, на котором напряжение растёт. Как только это напряжение достигнет порога переключения триггера Шмита DA1, то триггер переключится и на его выходе установится некоторое напряжение, которое через диод D1 и резистор R4 будут вначале разряжать, а затем заряжать до другой полярности конденсатор С1. Далее процесс повторяется, и схема переходит в автоколебательный режим.

Поскольку резисторы R4 и R5, через которые происходит заряд и разряд конденсатора С1 имеют разный номинал, то и время заряда и разряда конденсатора будет разным, соответственно пилообразное напряжение на выходе ОУ DA1 будет долго нарастать и быстро спадать.

Расчет частоты колебаний

Частота пилообразного сигнала на выходе генератора определяется по формуле

где F - частота в Герцах;

R3, R6, R4, R5 - сопротивления в Омах;

C1 - ёмкость в Фарадах.

Заключение

В соответствии с заданием был разработан проект устройства: «Генератор пилообразного напряжения», который полностью удовлетворяет требуемым параметрам.

Данный прибор состоит из:

ДН - Делитель напряжения.

ТГ - Триггер Шмита.

ДЦ - Диодно-резисторная цепь.

ИТ - Интегратор.

В одном из узлов произведен расчет частоты RC контура.

Целью курсового проекта на тему «Генератор пилообразного.

напряжения» достигнута путём решения поставленных задач, а именно:

Анализ существующих аналогов.

Разработка структурной схемы.

Разработка принципиальной схемы устройства.

Решение поставленных задач достигалась с использованием технической и справочной литературы, а также интернет ресурсов.

Список литературы

1. Справочник. «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги». Под редакцией Нефёдова А.В. - М. Радиософт. 1994 г.

2. Справочник. «Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы общего назначения». Воронеж. 1994г.

3. «Электроника» В.И. Лачин, Н.С. Савёлов. Феникс 2000 г.

4. Жмурин Д.Н. Математические основы теории систем: уч. пос. - Новочеркасск, 1998.

5. Генерация и генераторы сигналов. Дьяконов В.А.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Устройство и механизм действия простейшего генератора пилообразного напряжения. Принципиальная схема простейшего ГПН. Классификация устройств со стабилизаторами тока. Разработка принципиальной схемы генератора. Алгоритм и программа функционирования.

курсовая работа , добавлен 09.06.2011


Характеристика, параметры и принципы построения генераторов пилообразного напряжения с зарядным транзистором и стабилизатором тока. Исследование зависимости амплитуды выходного сигнала от напряжения питания для схем с биполярным и полевым транзисторами.

курсовая работа , добавлен 27.02.2012


Принципы построения генераторов. Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора пилообразного напряжения (ГПН). Расчёт элементов устройства, выбор типов и номиналов. Классификация ГПН со стабилизаторами тока, применение дискретных элементов.

курсовая работа , добавлен 29.06.2012


Основные характеристики импульса. Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, их назначение и область применения. Методы линеаризации пилообразного напряжения. Требования к устройству. Основные характеристики и принцип построения ГПН.

курсовая работа , добавлен 07.08.2013


Электронная вычислительная техника. Описание схемы устройства, расчет фантастронного генератора пилообразного напряжения. Генераторы прямоугольных импульсов, линейно-изменяющегося напряжения, ступенчато-изменяющегося напряжения, синусоидальных колебаний.

дипломная работа , добавлен 17.04.2009


Проектирование цифрового генератора аналоговых сигналов. Разработка структурной, электрической и функциональной схемы устройства, блок-схемы опроса кнопок и работы генератора. Схема делителя с выходом в виде напряжения на инверсной резистивной матрице.

курсовая работа , добавлен 05.08.2011


Разработка структурной схемы свип-генератора. Схема генератора качающейся частоты. Основные характеристики и параметры усилителей. Нелинейные искажения усилителя. Входное и выходное напряжения. Расчёт коэффициента усиления по мощности усилителя.

курсовая работа , добавлен 28.12.2014


Схема генератора сигнала треугольной формы. Принципиальная схема устройства. Описание работы программного обеспечения. Внутренний тактовый генератор, работающий от внешнего кварцевого резонатора. Фильтр низких частот. Внешняя цепь тактового генератора.

курсовая работа , добавлен 19.01.2012


Методика проектирования генератора на основе микроконтроллера, его технические характеристики. Выбор и обоснование технического решения. Разработка принципиальной и электрической схемы устройства. Эмуляция программы в пакете VMLAB, оценка погрешностей.

курсовая работа , добавлен 13.06.2010


Расчет сетевого выпрямителя, силовой части, выбор элементов однотактного конвертора. Расчет предварительного усилителя, генератора пилообразного напряжения. Схема сравнения и усиления сигнала ошибки. Вспомогательный источник питания, емкость конденсатора.

Делаем несложный функциональный генератор своими руками.

Каждый радиолюбитель, который изготавливает или повторяет радиоэлектронные устройства, рано или поздно сталкивается с необходимостью настройки и наладки собранных изделий.

В свою очередь, процесс настройки предполагает наличие соответствующих измерительных приборов. В наше время, безусловно, можно приобрести измерительные приборы промышленного изготовления, благо сейчас приборы стали широкодоступны.

Но, несложные приборы можно изготовить самостоятельно.

Вашему вниманию предлагается описание несложного функционального генератора, изготовленного мною много лет тому назад, который до сих пор находится в отличном работоспособном состоянии.

Функциональный генератор, это генератор колебаний, работающий в низкочастотном диапазоне (1Гц-100 кГц) и формирующий на выходе сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы. Описание этого функционального генератора было опубликовано в журнале Радио №6 за 1992 год.

Данный генератор значительно упрощает ремонт узлов и устройств низкочастотной аппаратуры. Внешний вид изготовленного мною функционального генератора.

На переднюю панель выведены:

Переключатель диапазонов генератора;

Переключатель режима работы генератора;

Ручка установки частоты генерируемых колебаний;

Регулятор уровня выходного напряжения;

Выключатель питания;

Гнездо выхода;

Предлагаемый функциональный генератор имеет следующие технические характеристики:

— диапазон генерируемых частот 1 Гц-100 кГц, разделен на пять поддиапазонов:

1) 1 Гц-10 Гц;

2) 10 Гц-100 Гц;

3) 100 Гц-1 кГц;

4) 1 кГц-10 кГц;

5) 10 кГц-100 кГц;

— максимальный размах сигналов прямоугольный формы -10 В;

— максимальный размах сигналов треугольной формы -6 В;

— максимальный размах сигналов синусоидальной формы -3,3 В;

Краткое описание схемы функционального генератора.

Принципиальная схема функционального генератора представлена ниже:

Задающий генератор собран на элементах DD1.1, DD1.2, DD1.3. На выходе элемента DD1.1 формируются треугольные импульсы. Прямоугольные импульсы формируются узлом на элементах DD1.2, DD1.3.

Преобразователь сигналов треугольной формы в синусоидальную собран на элементах VD1-VD6 и R10-R12.

Данный генератор обеспечивает получение «белого шума», источником которого является стабилитрон VD9. Напряжение «белого шума» усиливается до уровня 5В усилителем на элементе DD1.4.

Частота генерируемых колебаний устанавливается переменным резистором R3.

Для контроля частоты генерируемых функциональным генератором колебаний мною был применен частотомер, описание которого опубликовано в брошюре «В помощь радиолюбителю» №99. Схема частотомера была немного доработана: добавлен еще один разряд индикации и заменены люминесцентные индикаторы типа ИВ-3 на светодиодные типа АЛС314А. Частотомер размещен в одном корпусе с функциональным генератором.

Принципиальная схема частотомера, с учетом вышеизложенных доработок приведена ниже:

Конечно же, в наши дни «городить» такой частотомер нет никакой необходимости. Все гораздо проще и компактнее получается на микроконтроллерах. Схема предоставлена в ознакомительных целях.

Настало время проверить работоспособность генератора.

Форму и размах колебаний проверяем при помощи осциллографа.

Синусоидальные колебания . Синусоида чистая, частота около 1000 Гц. Параметры каналов вертикального и горизонтального отклонения указаны на фото.

Треугольные колебания также имеют правильную форму:

Прямоугольные колебания выглядят не менее достойно. Меандр ровный и четкий, без выбросов, с крутыми фронтами.

Реальные технические характеристики функционального генератора практически соответствуют заявленным в авторской статье.

Небольшое видео, демонстрирующее работу цифровой шкалы функционального генератора:

Наглядно видно, как происходит подсчет количества импульсов.