4.5 Генератор напруги трикутної форми

Для генератора напруги трикутної форми необхідно як мінімум два ОП. Відразу проаналізувати роботу всієї схеми генератора складно. Справа спроститься, якщо виконати аналіз по трьох етапах. Покажемо, по-перше, як можна при ручному керуванні створити сигнал трикутної форми в схемі, що містить один операційний підсилювач, резистор, конденсатор і перемикач. Потім підберемо компаратор, що замінить перемикач з ручною маніпуляцією. На третьому етапі з'єднаємо разом компаратор з генератором напруги трикутної форми. Почнемо з застосування принципів роботи генератора одиночного лінійно-змінного сигналу.

Принцип роботи

Додавши до схеми генератора одиночного лінійно-змінного сигналу (рис. 4.6) перемикач і ще одне джерело керованої постійної напруги, можна одержати генератор напруги трикутної форми, керований вручну (рис. 4.8,а). Коли перемикач знаходиться у верхньому за схемою положенні, Евх= -15 В і напруга Uвих наростає; в нижньому положенні перемикача Евх =+15 В, і Uвих спадає. Швидкість зміни Uвих знаходиться з рівняння (4.9) і для Евх =+15В.

Щоб зрозуміти, як з лінійно-змінної напруги утворюється сигнал трикутної форми, звернемося до рис.4.8,б. В момент t = 0 на схему подається живлення; перемикач при цьому знаходиться у нижньому положенні («спад»). Евх додатна, так що Uвих спадає зі швидкістю — 15 В/с. При досягненні напругою Uвих заданої нижньої граничної напруги Unн переключаємо ключ в положення «підйом». При цьому Евх стає рівною —15 В і Uвих наростає зі швидкістю +15 В/с. У момент, коли Uвих досягне обраної нами верхньої граничної напруги Unв, повернемо ключ у положення «спад». З цього часу ми повинні змінювати положення перемикача як тільки лінійно-змінна напруга Uлін перетинає один з цих граничних рівнів.

Щоб автоматизувати переключення, можна замінити керуючий перемикач компаратором.

а б

Рисунок 4.8 - Генератор сигналів трикутної форми з ручною маніпуляцією

а – схема генератора,

б – характеристики генератора

Компаратор з гістерезисом і керуванням по входу (+)

Подамо напругу Uлін з виходу схеми рис. 4.8 на вхід компаратора (рис. 4.9,а). Для аналізу роботи компаратора припустимо, що напруга з його виходу Uкомп зафіксована на рівні +Uнac. При будь-якій додатній напрузі Uлін напруга на вході (+) ОП (рис. 4.9,а) буде додатною відносно напруги на вході (-) і Uкомп залишається на рівні +Uнac.

Щоб змінити стан компаратора на Uкомп =-Uнас, напруга Uлін на його вході повинна стати нижчою за деяку граничну напругу Uпн. Тільки тоді напруга на вході (+) ОП компаратора стане меншою за 0 В (потенціалу землі). В цей момент на резисторі R спадає напруга -Uпн, а на резисторі aR — напруга +Uнас. При цьому можна записати:

чи . (4.10)

Рівність (4.10) справедлива при Ед = 0 В.

а б

а – робота при Uвих=+Uнac,

б – робота при Uвих=-Uнac

Рисунок 4.9 - Робота компаратора, призначеного для включення в генератор напруги трикутної форми

У цьому стані при будь-якій від'ємній вхідній напрузі, що перевищує по абсолютній величині Uпн, вхід (+) матиме від'ємний відносно входу (-) потенціал і Uкомп встановиться на рівні -Uнас. Щоб Uкомп переключилася назад до +Uнас, Uлін повинна стати додатною (як показана на рис. 4.9,б) і перевищити верхню граничну напругу Unв. Коли Uлін досягає Unв, вся напруга Unв падає на резисторі R, а напруга -Uнac - на резисторі аR, так, що Ед≈О В. Звідси випливає, що:

чи (4.11)

Напруга ширини петлі гістерезису Uгicm буде дорівнювати різниці між граничними напругами:

Uгicm = Unв - Unн. (4.12)

Схема генератора напруги трикутної форми

Підключимо вихід генератора лінійно-змінної напруги (рис. 4.8) до входу компаратора (рис. 4.9), а вихід компаратора — до входу генератора. При цьому вийде схема генератора напруги трикутної форми, показана на рис. 4.10,а.

а – схема генератора,

б – характеристики генератора

Рисунок 4.10 - Генератор напруги трикутної форми

Для аналізу цієї схеми звернемося до рис. 4.10,6, на якому представлені графіки напруги на входах операційних підсилювачів. Протягом часу від 0 до А напруга на виході компаратора дорівнює +Uнас. Це відповідає стану, показаному на рис. 4.8,а. В цей проміжок часу додатна напруга з виходу компаратора змушує лінійно спадати напругу на виході генератора лінійно-змінної напруги, що відповідає на схемі рис. 4.8,а положенню перемикача «спад». Коли лінійно-спадаюча напруга досягає рівня Uпн, компаратор переключається в положення Uкомп = -Uнас, що змушує лінійно наростати вихідну напругу генератора. При досягненні напругою Uлін рівня Unв компаратор переключається назад у положення Uкомп =+Uнас і напруга на виході генератора починає лінійно зменшуватися. Описаний процес повторюється знову, і таким чином ми одержуємо повноцінний генератор напруги трикутної форми [11].