4.8. Генераторы линейно изменяющихся напряжений

Генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН)_л формируют напряжения пилообразной формы (см. рис. 4.24, а). Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током.

Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 4.24, а, временные диаграммы напряже­ний в схеме — на рис. 5.5,б. При разомкнутом ключе Кл конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает:

где t=0 — момент начала заряда.

В момент t=t1 замыкается ключ Кл и конденсатор экспоненциально разряжается через ключ и резистор R который введен в схему для ограничения разрядного тока. После разряда конденсатора до напряжения U_с(0)=0 ключ Кл может быть разомкнут, тогда начнется вновь процесс формирования линейно нарастающего напряже­ния.

Известны многочисленные варианты схемы рис. 4.24, а, отличающиеся способами построения источника тока I и ключевого элемента. Большими технико-экономическими преимуществами обладают схемы ГЛИН, построенные на ИМС. Среди них широкое распространение получили схе­мы на ОУ.

В схеме интегратора, конден­сатор заряжается постоянным током, если на вход инте­гратора подано постоянное напряжение. При подаче на вход U_BX*>0 напряжение на выходе умень­шается по линейному закону:

При uвх=—U_Bx* выходное напряжение нарастает так­же по линейному закону:

На рис, 4.25, а приведена схема ГЛИН с внешним уп­равлением (Uy — управляющее напряжение) и временные диаграммы напряжений. Схема состоит из компаратора и интегратора. Длительность tи входного положительного импульса Uy определяет длительность стадии спада выход­ного напряжения u_ГЛИн (рис. 4.25,6), длительность стадии нарастания U_Глин равна паузе tп между импульсами Uy.

При поступлении входного напряжения, амплитуда ко­торого U_ym>E0, компаратор переходит в состояние положительного насыщения u'=U_BblXmax. Открывается диод V1, и напряжение u_Глин убывает по линейному закону; в (3.19) подставим R=R1. Крутизна напряжения uглин на интервале спада t1-t2:

S_c = dU_глин/dt = - Uвыхmax/R1 С.

При прекращении импульса u_y компаратор под воздей­ствием напряжения Eо на инвертирующем входе переходит в состояние отрицательного насыщения U' =- Uвыхmax.

Открывается диод V2 и интегратор формирует линейно на­растающее напряжение, в (3.20) подставим R=R2. Кру­тизна нарастания u_ГЛИн на интервале t₂—tз

_SН = dUглин/dt = Uвыхмах/R2 С.

ГЛИН с внешним управлением имеет важную принци­пиальную особенность. Установившийся режим достигает­ся только в том случае, если равны U_ГЛИн на этапах нара­стания или спада, в противном случае среднее значение выходного напряжения начинает нарастать (или убывать), что в конечном счете приводит к насыщению ОУ интегратора. Условие устойчивой работы ГЛИН сводится к тре­бованию

-tиS_c = t_nSн.

Учитывая возможную нестабильность крутизны и дли­тельностей tи и t_n, ориентироваться на выполнение последнего условияв схеме рис. 4.25,а нереально. В практических схе­мах максимальное и минимальное значения напряжения uглин ограничиваются. В схеме рис. 4.25, а для ограничения uглин введены стабилитроны V3 и V4. Напряжение между входами ОУ интегратора u0. При 0<U_глин<U₊ на стабилитроне V4 действует прямое напряжение Uav40, стабилитрон V3 смещен в обратном на­правлении и через цепочку стабилитронов протекает малый ток I₀0. Таким образом, стабилитроны в этом слу­чае практически не влияют на процесс разряда конденса­торов. При достижении u_Глин=U+= |Uстvз| (где U_cтv3 - напряжение стабилизации V3) V3 работает в режиме электрического пробоя, разряд конденсатора С прекраща­ется и ток i₀c = u'/R1 переходит с конденсатора на цепоч­ку стабилитронов. Таким образом, напряжение u_Глин сверху ограничено значением U+. Аналогично снизу напряжение uглин ограничено значением U-= - |U_стv4 | , где Uстv4—на­пряжение стабилизации V4.

На рис. 4.25,б справа показана работа стабилитронного ограничителя в момент t5. Интервал паузы t₄—t6 за­дан достаточно большим, поэтому в момент t5 напряжение ГЛИН достигает значения U+. С приходом очередного им­пульса u_у начинается процесс формирования спада.

Помимо ГЛИН с внешним управлением часто приме­няются ГЛИН, работающие в автогенераторном ре­жиме, т .е. без управляющего сигнала. Широкое распро­странение получила схема ГЛИН на ОУ (рис. 4.26). Эта схема отличается от рассмотренного ГЛИН наличием цепи ОС R3R4, которая связывает прямой вход компаратора с выходами компаратора и интегратора.

Найдем напряжение и_ос методом суперпозиции: и_ос= = u1+u2. Напряжение u1 находим при u_Глин=0. а напряже­ние u₂ при и'=0. Получим

Временные диаграммы напряжений в схеме рис. 4.26, а приведены на рис. 4.26,6. Начнем рассмотрение в момент t1, когда компаратор переходит в состояние отрицатель­ного насыщения и' = —U_BыXmax. При этом открывается ди­од V2, и на интеграторе начинается процесс формирования нарастающего напряжения u_ГЛин. Напряжение uос на интер­вале t1—t2 также линейно нарастает. Для момента t₂ получим

В этот момент t₂ компаратор переключается, напряже­ние на его выходе скачком изменяется до значения и'= = ив_Ыхтах. Скачком изменяется и напряжение и_ос. Процесс переключения компаратора раз­вивается регенеративно за счет ПОС через резистор R4.

На интервале t₂—t3 открыт диод V1. Интегратор фор­мирует линейно убывающее напряжение uглин. Напряжение и_ос также линейно убывает и при t=t₃ выражение сводится к виду

Компаратор вновь регенеративно переключается, начина­ется формирование линейно нарастающего участка Uглин и т. д.

Схема рис. 4.26 может быть использована также и в качестве мультивибратора, в этом случае выходное на­пряжение снимается с выхода компаратора.

ГЛИН находят очень широкое применение в технике. На их основе строятся системы развертки электронно-лучевых приборов. Применяются они и при создании АЦП.

Разряд конденсатора С должен происходить за малый промежуток времени (время восстановления Т_в). На рис. 4.27,6 приведена схема ГЛИН. В ней резистор заменен на источник постоянного тока, выполненный на ОУ DA1 и транзисторе VT1.

Для нормальной работы источника постоянного тока необходимо, чтобы U_CT2 было больше -U_n на 1,5—2 В. Это требование вызвано тем, что для нормальной работы источника постоянного тока транзистор VT1 должен находиться в активном режиме.

Генераторы напряжения треугольной формы. Эти генераторы отличаются от рассмотренных только тем, что у них как зарядка, так и разрядка конденсатора осуществляются токами, значения которых неизменны. Так, например, если в схеме ГЛИН конденсатор С перезаряжать токами неизменных значений, а выходное напряжение снимать непосредственно с конденсатора, то получим генератор напряжения треугольной формы. Схема подобного генератора напряжения треугольной формы приведена на рис. 4.27, в, а диаграмма выходного напряжения — на рис. 4.27, г. В нее включены транзисторы VT1, VT2, выпол­няющие роль генераторов токов. При грубой оценке можно считать, что токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2

где U_БЭ1, U_БЭ2 -напряжение база — эмиттер у транзисторов.

Транзистор VT1 открыт при положительном напряжении на выходе компаратора на ОУ (U⁺выхmах), а транзистор VT2 — при отрицательной полярности этого напряжения (U^-выхmах).

Генераторы ступенчато изменяющегося напряжения. Такие генераторы выполняют на основе цифро-аналоговых преоб­разователей.