Практическое занятие № 8 Проектирование и анализ генератора пилообразного напряжения

Генератор пилообразного напряжения можно реализовать различными способами. В данной работе предлагается вариант с применением неинвертирующего интегратора напряжения, накопительный конденсатор которого периодически разряжается биполярным транзистором. Принципиальная схема генератора приведена на рис.9

Интегратор включает в себя следующие элементы: операционный усилитель AD1, резисторы R1,R2,R3,R4 и конденсатор С1. Нормальная работа интегратора возможна только при условии равенства сопротивлений резисторов R1=R2=R3=R4. При этом выходное напряжение U_вых интегратора определяется выражением

U_вых= 2U_c(0)+(2/RC) ,

г де U_c(0)- начальное напряжение на конденсаторе, которое после разряда должно быть равно нулю; u_вх(t) – напряжение, поступающее на вход интегратора (в нашем случае постоянное напряжение U1); R – сопротивление резистора R3; С – емкость конденсатора С1.

М

Рис. 9

одель транзистора выбирается по таким же правилам, как и модель ОУ. Щелкнув дважды левой кнопкой мыши на изображении транзистора, откроем диалоговое окно NPN Transistor Properties и выберем для примера из библиотеки nationl2 транзистор типа 2N2712.

Щелкнув дважды левой кнопкой мыши на изображении ОУ, откроем диалоговое окно 3-Terminal Opamp Properties и выберем из библиотеки analog ОУ типа ad op-37.

Величину напряжения источника U1 постоянного напряжения устанавливают, щелкнув дважды левой кнопкой мыши на его изображении в схеме. В открывшемся диалоговом окне с названием Battery Properties на странице Value в строке Voltage устанавливают нужное напряжение. Для примера установим напряжение U1=5 B.

Дважды щелкнув мышью на изображении источника U2 прямоугольного напряжения, открывают диалоговое окно Clock Properties, в котором на странице Value можно задать три параметра напряжения: частоту Frequency (F), коэффициент заполнения импульса Duty cycle (D) и амплитуду Voltage (V). Для примера установим F=1000 Hz, D=2 , V=5 B.

В нашем примере установим величины сопротивлений резисторов, равными R1=R2=R3=R4=10 кОм, R5=2 кОм, величину емкости конденсатора, равной C1=0.1 мкФ.

Анализ результатов моделирования генератора пилообразного напряжения

Для анализа результатов моделирования используем осциллограф. Канал А подключим к выходу Out генератора, а канал В – к верхней обкладке конденсатора. Длительность развертки установим, равной 0.2 ms/div. Режим развертки Y/T. Режим синхронизации – А.

Масштабы изображений по вертикали каналов А и В устанавливаем, равными 5 B/div. Режим работы каналов - DC.

После включения режима анализа на экране осциллографа должны появиться два пилообразных напряжения с амплитудами 10 В и 5 В и длительностью импульсов 1 мс.

Задание для самостоятельной разработки генератора пилообразного напряжения

В данной схеме частота f выходных импульсов генератора определяется частотой источника прямоугольного напряжения U2 и может быть выбрана при задании параметров источника (параметр Frequency (F)). Однако крутизна фронта пилообразного напряжения, а, следовательно, и амплитуда U_m,вых выходных импульсов генератора при заданной частоте определяется тремя параметрами: величиной напряжения источника U1, величиной сопротивления резисторов R1-R4 и величиной емкости конденсатора С1. Формула для расчета выходного напряжения с учетом нулевых начальных условий и постоянства величины напряжения источника U1 во времени принимает вид

U_m,вых= 2U1T/RC,

где T = 1/f – период пилообразного импульса.

На эти параметры при относительной свободе выбора все же накладываются некоторые ограничения, которые связаны с применяемой элементной базой.

Величина напряжения источника U1 не должна превышать допустимого для выбранного ОУ входного синфазного напряжения.

Величина емкости конденсатора влияет не только на крутизну фронта пилообразного напряжения, но и на крутизну спада, которая должна быть максимальной. Конденсатор должен за максимально короткое время разрядиться и быть готовым к следующему циклу заряда. Чем больше емкость, тем больше времени требуется для разряда конденсатора. Поэтому при выборе конденсатора следует руководствоваться не только требуемой скоростью заряда, от которой зависит амплитуда напряжения пилы, но и достаточной скоростью разряда, чтобы он успел разрядиться до нуля за время импульса источника прямоугольного напряжения.

Скорость разряда конденсатора зависит также от типа транзистора VT1 и от тока базы транзистора, когда он находится в открытом состоянии. Ток базы определяется величиной импульса напряжения Value (V) источника U2 и величиной сопротивления резистора R5. Время открытого состояния транзистора определяется длительностью импульса источника U2, которая зависит от коэффициента заполнения импульса , задаваемого параметром Duty cycle (D) источника U2.

Используя вышеуказанную формулу и приведенные соображения о взаимозависимостях параметров элементов, необходимо для своего варианта путем моделирования подобрать параметры элементов схемы для получения заданных в табл. 2 параметров выходных импульсов генератора при заданном коэффициенте заполнения импульса.

Таблица 2

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
F, Гц	300	200	400	50	900	700	100	500	600	150
Um,вых, В	4	7	9	6	8	5	6	3	7	8
, 	2	2	2	3	1	1	3	1	1	2

Результаты моделирования должны быть представлены преподавателю в виде осциллограмм и параметров элементов на экране компьютера и в тетради для практических работ.