1.7 Генераторы импульсных сигналов
Генераторы импульсных сигналов создают периодическую последовательность импульсов различной формы (прямоугольной, треугольной и т. п.).
Первый типичный представитель этой группы генераторов – симметричный мультивибратор. Обычно его схема строится на основе операционного усилителя. В его схеме реализован компаратор с ПОС – то есть имеющий передаточную характеристику с петлей гистерезиса относительно нуля, рисунок 1.31.
Рисунок 1.31 – Симметричный мультивибратор
Положительная
обратная связь образована резистивным
делителем
R1,R2
с
коэффициетом
передачи æ
=
.
За счёт
этого на
неинвертирующем входе ОУ образуется
напряжение:
uНИ
= UВЫХæ.
По
инвертирующему входу
включена времязадающая
цепь RC.
Выходное
напряжение ОУ заряжает конденсатор
С
через
сопротивление
R,
или конденсатор
С
перезаряжается
через сопротивление
R
при изменении
полярности выходного напряжения ОУ.
Изменение напряжения на конденсаторе при перезаряде будет происходить между значениями æU+ВЫХMAX и æU-ВЫХMAX. При достижении указанных значений напряжения на конденсаторе срабатывает триггер Шмита, и состояние его выхода меняется на противоположное, рисунок 1.32. Обычно для ОУ равны между собой величины U+ВЫХMAX и U-ВЫХMAX. Поэтому длительности импульса и паузы выходного сигнала такого мультивибратора равны между собой: tИ = tИ1 = tИ2.
Длительность импульса и частота выходного сигнала определяются следующими выражениями:
;
. (1.25, 1.26)
Выходной сигнал
несимметричного
мультивибратора
отличается
от сигнала симметричного мультивибратора
тем, что tИ1
¹
tИ2
. Для этого вместо
одной ветви с сопротивлением
R
делают две
ветви с различными сопротивлениями R3
и R4,
что
обеспечивает
неодинаковые постоянные времени
t
в интервалы
времени tИ1
и tИ2
(постоянные времени t1
и t2).
Рисунок 1.32 – Временные диаграммы работы симметричного мультивибратора
Заряд и перезаряд конденсатора С через ветви с различными сопротивлениями обеспечены наличием вентилей на диодах VD1 и VD2, рисунок 1.33. За счёт этого длительность импульса и паузы не равны между собой.
Частота следования импульсов несимметричного мультивибратора определяется выражением:
.
(1.27)
Рисунок 1.33 – Несимметричный мультивибратор
Вместо активного элемента на ОУ в генераторах различного типа можно использовать активный элемент на дискретной интегральной схеме [3]. Такой элемент выводится в линейный усилительный режим. Задание рабочей точки элементов дискретных ИС проводится различными способами, положительные и отрицательные стороны которых поясняются рисунком 1.34 (величины сопротивлений указаны для ТТЛ ИС). Оценочное значение коэффициента усиления элементов ИС различных схемотехнических базисов следующие: КТТЛ » 26 дБ; КЭСЛ » 12 дБ; ККМОП » 26 дБ. Пример симметричного мультивибратора на ИС ТТЛ приведён на рисунке 1.35.
Рисунок 1.34 – Задание рабочей точки элементов дискретной ИС
На рисунке 1.35 элемент DD1.1 является линейным усилителем, конденсатор С образует цепь обратной связи, а элемент DD1.3 – буферный (развязывающий, согласующий) элемент.
Рисунок 1.35 – Симметричный мультивибратор на дискретной ИС
Заменив в этой схеме конденсатор С на кварцевый резонатор, получим импульсный генератор с очень малой нестабильностью частоты, примерно в интервале 10-5–10-6.
Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) (также часто используется название ГПН – генератор пилообразного напряжения) формирует сигнал по форме очень близкий к прямой линии – это участок «прямого хода». Участок «обратного хода» сигнала много короче и зачастую нелинеен. Основной параметр такого сигнала – коэффициент нелинейности:
,
(1.28)
где U’(0) и U’(tПР) – скорость изменения напряжения во времени (производная).
Схема ГЛИН приведена на рисунке 1.36. Суть работы генератора: во время прямого хода интегратор на ОУ интегрирует напряжение батареи UO, формируя на выходе линейный сигнал; за время обратного хода импульсный генератор разряжает конденсатор интегратора, замыкая электронный ключ.
Рисунок 1.36 – Схема ГЛИН
Обратный ход линейно изменяющегося напряжения формируется за время tобр. Это время действия импульсов с частотой следования fсл на ключ, через который конденсатор разряжается, а заряжается он во время отсутствия импульсов. Входное опорное напряжение Uo и постоянная времени t = RC определяют мгновенное значение выходного напряжения.
Вопросы для самотестирования
1 Когда возможно возбуждение (генерация) в усилителе?
2 Какой фазовый сдвиг вносит усилитель в генераторе с мостом Вина?
3 Какие функциональные узлы составляют мультивибратор?
4 Чем отличаются между собой симметричный и несимметричный мультивибраторы?
5 Что такое «генератор линейно изменяющегося напряжения»?