Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2005_podyak / кафедра 11

.doc
Скачиваний:
23
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
329.73 Кб
Скачать

1.3 Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) (1, 2, 5, 10, 15)

Сигнал s(t), в котором явно выражен участок напряжения (или тока) с линейной зависимостью от времени, называют линейно изменяющимся, а устройства, создающие подобные сигналы, называются генераторами линейно изменяющегося напряжения (или тока). Линейное напряжение находит применение в качестве напряжения развертки в осциллографах, в измерительных устройствах, в системах управления устройствами преобразовательной техники.

Основными параметрами сигнала линейного напряжения (рис.1.19), позволяющими судить о его свойствах и производить качественное сравнение различных ГЛИН, являются:

U0- начальный уровень напряжения

UM- амплитуда импульса

TП- длительность рабочего участка (или прямого хода)

TВ- длительность возврата

T- период повторений

Сюда же необходимо добавить еще один

Рис. 1.19 важный параметр- коэффициент нелинейности,

позволяющий характеризовать степень отклонения формы идеального линейного напряжения от реального, в котором эта идеальность по разным причинам недостаточно обеспечена. Это отражается в ходе кривой напряжения uп (t), скорости изменения которого в начале прямого хода и в его конце могут отличаться. По определению коэффициент нелинейности представляет относительное изменение производных функции uп(t):

(1.48)

Легко представить и другие, отличные от рис. 1.19, графики сигналов с линейно изменяющимися участками. Для этого достаточно основным параметрам сигнала задать необходимые амплитудные и знаковые значения. Например, изменив знак производных на рис. 1.19, мы получим линейно падающее напряжение. Если обеспечить равенство TП=TВ=T/2, то сигнал приобретет треугольную форму.

Формирование линейно изменяющегося напряжения (в аналоговом варианте) можно реализовать с помощью блок-схемы рис. 1.20, где обозначены:

ЗУ- зарядное устройство, РУ- разрядное устройство

Принцип функционирования блок- схемы состоит в следующем. От источника питания ЕП с помощью зарядного устройства формируется ток ic- ток заряда конденсатора С. Если этот ток постоянен во времени, то напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону:

(1.49)

Скорость изменения напряжения на конденсаторе, как следует из (1.49), пропорциональна току, протекающему через него. Поэтому выражение для коэффициента нелинейности можно представить в виде:

(1.50)

Рис. 1.20

где ICН, ICK- начальное и конечное значения тока заряда конденсатора.

Этот процесс продолжается в течении времени прямого хода TП, которое задается параметрами ЗУ. В конце прямого хода формируется амплитуда выходного напряжения UМ.

Разрядное устройство РУ возвращает схему генератора в исходное состояние за время возврата TВ, создавая необходимый по величине и форме ток разряда конденсатора. Меняя значения токов заряда и разряда, соотношения длительности их протекания через конденсатор, можно получать самые разнообразные формы выходного напряжения. При этом полезно заметить, что функции зарядного и разрядного устройств взаимозаменяемы, прямой ход может формироваться разрядным устройством, а обратный- зарядным.

Функционирование зарядного и разрядного устройств обеспечивается с помощью специальных средств и управляющих сигналов. Последние могут поступать или от внешних источников или являться следствием внутренних процессов в самом генераторе. Это дает основание рассматривать ГЛИН с внешним управлением (запуском) и автоколебательные ГЛИН, ряд примеров построения которых рассматривается ниже.

1.3.1 ГЛИН с зарядным резистором и внешним управлением

Эта простая и достаточно наглядная с точки зрения иллюстрации процесса формирования линейного напряжения схема изображена на рис. 1.21а. Функцию зарядного устройства в ней выполняет резистор R1, а разрядного- транзисторный ключ VT1, управляемый периодическим импульсным сигналом UВХ (рис. 1.21б).Амплитудные и временные параметры входного сигнала обеспечивают закрытое состояние транзистора в течение интервала TП, и насыщенное- на этапе восстановления, возврата в исходное состояние.

Рассмотрим первый этап работы схемы- этап формирования прямого хода. Предположим, что в момент t=0 транзистор оказался закрытым. При этом начальное напряжение на конденсаторе равно остаточному напряжению насыщенного транзистора U0, а через транзистор протекает тепловой ток IK0.

Рис. 1.21а Рис. 1.21б

При выключении транзистора начинается процесс изменения напряжения на конденсаторе :

(1.51)

где =R1C1- постоянная времени цепи заряда.

В момент времени t=TП напряжение на конденсаторе достигает максимального уровня. Подставим это время в формулу (1.51) и получим значение амплитуды выходного напряжения:

(1.52)

Воспользуемся выражениями (1.51), (1.52) для определения коэффициента нелинейности, предполагая значения остаточного напряжения U0 и тока IK0 достаточно малыми. Из формулы (1.48) следует:

(1.53)

Формулы (1.52), (1,53) можно упростить, если выполнить условие >>TП, представить экспоненциальную функцию в виде степенного ряда и пренебречь членами высокого порядка:

(1.54)

(1.55)

Оказывается, что коэффициент нелинейности и амплитуда выходного напряжения в рассматриваемой схеме однозначно связаны друг с другом. Высокая линейность выходного напряжения достигается здесь при одновременном уменьшении его амплитуды, то есть при худшем использовании напряжения источника питания.

Второй этап работы схемы начинается с момента прихода отпирающего импульса. Его длительность tи должна быть не меньше требуемой или из заданного времени восстановления, то есть времени возврата TВ, или заданной временной паузы между соседними импульсами пилообразно формы. Разряжается конденсатор через разрядный резистор R2, ограничивающий максимальное значение тока разряда через находящийся в режиме насыщения транзистор VT1.

Обычно выполняется неравенство R2<<R1, поэтому время возврата схемы в исходное состояние рассчитывается по известной формуле ( из теории работы интегрирующего звена):

(1.56)

Рассмотренная схема ГЛИН находит применение в решении тех задач, когда не предъявляются высокие требования к линейности выходного напряжения. Поскольку причиной нелинейности является непостоянство тока заряда ( или разряда) конденсатора, то естественно обратиться к построению таких схем ГЛИН, в которых вопросы стабилизации тока решаются в должной степени.

1.3.2 ГЛИН с внешним управлением на основе интегрирующего усилителя

Вариант схемы такого генератора и графики напряжений в характерных точках изображены на рисунках 1.22а, 1.22б. Генератор собран на операционном усилителе А1, охваченным параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, реализуемой посредством сопротивления R1 и конденсатора С1..На входе ОУ действует отрицательное напряжение Е0, а разрядный транзистор VT1 периодически коммутируется импульсным входным сигналом UВХ, уровни которого обеспечивают как запирание транзистора, так и его полное отпирание.

Принцип построения схемы практически подобен ранее рассмотренной. При разомкнутом транзисторе входной ток, отбираемый от источника Е0, протекает через резистор R1, конденсатор С1 и замыкается обратно через выходное сопротивление схемы. В предположении высокой идеальности усилителя этот ток равен:

Рис. 1.22а Рис. 1.22б

(1.57)

что позволяет рассматривать схему как стабилизатор тока в нагрузке, включенной в цепь обратной связи.

При постоянстве тока заряда напряжение на конденсаторе, которое по существу является выходным напряжением схемы, взятым с обратным знаком, будет изменяться по линейному закону:

(1.58)

(при отрицательном значении Е0), достигая максимального значения в момент t=TП:

(1.59)

Из (1.58) следует, что скорость изменения выходного напряжения постоянна в течение рабочего хода, и коэффициент нелинейности равен нулю.

Для оценки его реального значения обратимся к выражению передаточной характеристики интегрирующего усилителя:

(1.60)

Рабочий участок выходного напряжения можно рассматривать как результат переходного процесса, вызванного подачей перепада Е0 на вход усилителя. Для его анализа удобно применить операторный метод Лапласа, предварительно записав изображение выходного напряжения:

(1.61)

Обратный переход во временную область позволяет получить зависимость :

(1.62)

показывающую, что выходное напряжение изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к уровню К0Е0 с большой постоянной времени

R1C1(K0+1). Высокая линейность выходного напряжения обусловлена использованием только начального участка функции (1.62), ограниченным временным интервалом TП, в течение которого формируется амплитуда UM. Ее значение может быть достаточно близким к максимальному значению выходного напряжения ОУ.

Обратный ход, как было отмечено выше, реализуется с помощью транзисторного ключа VT1. Разряд конденсатора С1 происходит практически до нулевого уровня, если длительность отпирающего tи импульса не менее .

О некоторых требованиях к параметрам операционного усилителя. Допустимый выходной ток ОУ должен быть не менее тока заряда конденсатора. Частотные искажения ОУ должны вносить минимальную задержку в процесс формирования выходного напряжения, приобретающую заметную роль при малых длительностях прямого и обратного хода.

35

Соседние файлы в папке 2005_podyak