8.2 Генераторы линейно-изменяющегося напряжения. Компараторы

Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону. ГЛИН широко применяются в электронной технике: в устройствах горизонтальной развертки луча в осциллографах, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и других преобразовательных устрой­ствах.

Генераторы линейно изменяющихся напряжений формируют напряжения пилообразной формы (рис. 50). Пилообразные импульсы характеризуются длительностью рабочего хода t_р, длительностью обратного хода t_о и амплитудой U_m.

Д ля создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 51.

Рисунок 50 – Временная диаграмма импульсов

пилообразной формы

Когда транзистор VT закрыт, конденсатор С заряжается от источника питания Е_к через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе линейно возрастает. При поступлении на базу положительного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через его малое сопротивление, чем обеспечивается быстрое спадание выходного напряжения до нуля – обратный ход.

Рисунок 51 – Простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения

В электронных устройствах используются различные типы ГЛИН на транзисторах и микросхемах. Среди них широкое распространение получили схе­мы на ОУ.

В качестве примера рассмотрим простой ГЛИН на двух микросхемах ИОУ, схема которого приведена на рис. 52. Генератор состоит из двух функциональных блоков - интегратора и триг­гера Шмитта.

Рисунок 52 – Схема ГЛИН на ОУ

Интегратор - схема, при подаче на вход которой постоянного напряжения U₀ выходное напряжение изменяется по линей­ному закону, пока не достигнет напряжения U_нас. Интегратор собран на микросхеме DA1, ре­зисторе R и конденсаторе С. Напряжение u₁ на выходе интегратора уве­личивается по линейному закону под воздействием U₀.

Т риггер Шмитта собран на микро­схеме DA2 и резисторах R₁ и R₂, обеспечивающих ПОС. Здесь использу­ется триггер Шмитта с управлением по току - при равенстве li₁l = lI₂l происходит переключение триггера Шмитта из одного состояния в другое. Для обеспечения периодического перезаряда кон­денсатора установлена цепочка R₃ - VD, по которой протекает ток I₃ пе­резаряда емкости С. На рис. 51 показаны временные диаграммы работы ГЛИН.

Рисунок 53 – Временные диаграммы работы ГЛИН на ОУ

Пусть в момент t = 0 ем­кость С перезаряжена до напряже­ния u₁ = -U_1max. При этом триггер Шмитта переключился в положение, когда u₂ = -U_2нас. Отрицательным напряжением -U_2нас диод VD за­крыт, т. е. не пропускает ток I₃ =0. Емкость С заряжается током I₀. Следовательно, напряжение u₁ увеличивается с постоянной скоростью (по линейному закону). При этом ток i₁ также увеличивается по линейному закону. При достижении равенства li₁l = l-I₂l триггер Шмитта переключается в другое состояние, при котором u₂ = +U_2нас. При этом диод VD открывается и начинает протекать ток I₃ - емкость С начинает перезаряжаться током I_пз = I₃ -I₀, а напряжение u₁ - уменьшаться по линейному закону.

В момент равенства l-i₁l = I₂ триггер Шмитта скачком перехо­дит в положение, когда u₂ = -U_2нас и далее цикл повторяется. Таким об­разом, ГЛИН одновременно формирует напряжение u₁ пилообразной формы и напряжение u₂ прямоугольной формы.

Компараторы

Интегральные операционные усилители находят широкое приме­нение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульс­ном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики (см. рис. 15). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо на­пряжением U⁺_нас, либо U ^–_нас - ключевой режим работы.

К омпаратор (compare – сравнивать) – устройство, сравнивающее два напряжения – входное U_вх с опорным U_оп. Опорное напряжение пред­ставляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. Простейшая схема компаратора на операционном усилителе при­ведена на рис. 54, а.

Рисунок 54 – Компаратор на ОУ

а – схема, б - передаточная характеристика, в - УГО

Благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений U_вх - U_оп.

При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на вы­ходе ОУ, например с U⁺_нас на U ^-_нас - рис. 54, б. При U_вх < U_оп на выходе U⁺_нас, при U_вх > U_оп на выходе U ^–_нас.

Н а рис. 55 показаны входные напряжения компарато­ра, причем принято, что U_вх1 - синусоидальное напряже­ние, а U_вх2 – постоянное (опорное). Компаратор переключается в мо­менты равенства U_вх1 = U_вх2, и выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов. Ширина этих импульсов при заданной амплитуде синусоиды зави­сит от величины U_вх2. Таким образом, простейший компаратор может служить преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное. В этой же схеме осуществляется преобразование напряжения U_вх2 в длительность импульса t_и.

Рисунок 55 - Напряжения на входе и вы­ходе компаратора

Наряду с простейшей схемой компаратора находит широкое применение схема компаратора с ПОС (рис. 56, а), называемая также пороговым эле­ментом или триггером Шмитта. В такой схеме уровни включения и выключения не совпадают. В схеме применена ПОС че­рез цепочку R1R2, а входной сигнал подается на инверти­рующий вход ОУ.

На рис. 56, 6 построена передаточная характеристика этого компаратора. При значительном отрицательном напряжении на инвентирующем входе ОУ U_вых = U_{вых max}.

При увеличении входного напряжения в момент U_вх ≈ U_неинв. (U_ср – срабатывания или порога) компаратор переключается в состояние U_вых = U ^-_{вых max}. Соответственно при уменьшении входного напряжения происходит обратный процесс.

Н аличие ПОС ускоря­ет переключения компаратора, так как процесс переключения будет иметь лавинообразный процесс. Такой ускоренный ход переключения какого-либо устройства под действием ПОС носит название регенеративного процесса. Переда­точная характеристика компаратора рис. 56, б имеет гистерезисный характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении U_вх происходит при разных на­пряжениях.

Рисунок 56 - Схема компаратора с поло­жительной обратной связью (а) и его переда­точная характеристика (б)