Курсовой - Генератор линейно-изменяющегося напряжения / 1 Обоснование необходимости разработки

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ

Потребность использования импульсов треугольной формы в технике связи, управления, измерительной и других областях делает актуальной задачу разработки генераторов формирующих сигналы треугольной формы.

Обычно ГЛИН не используется как готовое устройство, а является функциональным блоком более сложных устройств, в частности осциллографов, радаров, АЦП и т.д.

Обоснованием необходимости разработки может служить проектирование канала горизонтального отклонения электроннолучевого осциллографа.

Р ассмотрим структурную схему канала горизонтального отклонения осциллографа, смотри рисунок-1.

Рисунок – 1 Структурная схема канала Х электроннолучевого осциллографа

Канал горизонтального отклонения предназначен для подачи на горизонтально отклоняющие пластины трубки напряжения развертки, синхронного с исследуемым сигналом. В канале X обеспечивается получение пилообразного напряжения периодической развертки и ее синхронизация, получение ждущей развертки и ее запуск.

В соответствии с назначением канал Х состоит из синхронизирующего устройства, генератора развертки (ГЛИН) и усилителя. Канал характеризуется полосой пропускания, частотой или длительностью развертки и максимальной частотой синхронизации. Главной частью канала Х является генератор развертки, работающий в режиме непрерывной, ждущей или однократной развертки. Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение для отклонения луча по горизонтали.

Таким образом обосновать необходимость разработки ГЛИН можно проектированием электроннолучевого осциллографа, в котором главной частью канала горизонтального отклонения является ГЛИН.

2 УПОРЯДОЧЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

ГЛИН делят на генераторы линейно нарастающего, линейно падающего и треугольного напряжения. Выходное напряжение генераторов линейно нарастающего напряжения возрастает во время прямого хода по закону близкому линейному, а во время обратного хода убывает по закону, в общем случае отличному от линейного, например экспоненциальному. Форма выходного напряжения таких генераторов соответствует рисунок – 2. Выходное напряжение генераторов линейно падающего напряжения во время прямого хода убывает. Выходное напряжение генератора треугольного напряжения изменяется по линейному закону как при прямом, так и при обратном ходе.

Рисунок – 2 Временная диаграмма пилообразного напряжения

Линейно изменяющееся напряжение, получаемое на выходе генераторов, характеризуется длительностью рабочей стадии tр , длительностью стадии восстановления tв , периодом повторения T, максимальным значением перепада напряжения за время рабочей стадии Uрт, коэффициентом нелинейности  и коэффициентом использования напряжения источника питания КЕ.

В соответствии с ЗКП ГЛИН должен иметь следующие параметры: длительность рабочей стадии tр = 10мкс200мкс; длительность рабочей стадии должна регулироваться дискретно с дискретом 2мкс; длительность стадии восстановления должна стремиться к нулю т.к. импульсы на выходе ГЛИН имеют треугольную форму; амплитуда импульсов Um = 10В0,2В; полярность импульсов должна быть положительная, а коэффициент нелинейности   0,4%. Для получения импульсов длительностью заданной в ЗКП ГТИ должен формировать тактовые импульсы с частотой не менее 128МГц.

Генераторы указанных разновидностей могут быть автоколебательными и ждущими. Кроме того, различают ГЛИН с внешним и внутренним стробом. Генераторы с внутренним стробом вырабатывают прямоугольный импульс за счет действия собственных внутренних связей; при ждущем режиме работы для запуска требуется лишь короткий запускающий импульс.

В соответствии с ЗКП генератор должен работать в ждущем режиме, т.е. запускаться при наличии на входе короткого импульса. Выходное сопротивление ГЛИН не должно превышать 1кОм.

Эффективность работы ГЛИН оценивается коэффициентом использования источника питания Ек:

КЕ = Uрт/Ек

Тогда, исходя из ЗКП (при напряжении питания 15В) получаем, что коэффициент использования напряжения равен 0,6670,013.

При выполнении перечисленных выше условий, при поступлении на вход ГЛИН короткого запускающего импульса на выходе генератора будет наблюдаться линейно изменяющееся напряжение.

3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

В пункте 1 мы обосновали необходимость разработки ГЛИН по данным ЗКП, рассмотрим теперь его принципы работы и варианты реализации структурной схемы.

Как видно из рисунка – 1 ГЛИН работает в ждущем режиме, т.е. при появлении на входе устройства запускающего импульса генератор развертки начинает вырабатывать пилообразное напряжение для отклонения луча по горизонтали. Таким образом, при наличии на входе ГЛИН запускающего импульса и в зависимости от дискретной регулировки на выходе устройства должны иметь пилообразное напряжение заданной длительности.

Основным принципом создания ЛИН, получившим в настоящее время наибольшее распространение, является принцип заряда (разряда) конденсатора током неизменным в течении времени прямого хода. При построении схем ГЛИН по этому принципу стремятся обеспечить постоянство зарядного разрядного тока, и принципиальные схемы отличаются только способами стабилизации. Иногда используются ЛИН ступенчатой формы, которые реализуются на базе ЦАП (в частности, матрицы R – 2R).

Проанализируем несколько способов реализации ГЛИН на базе ЦАП и выберем оптимальный для выполнения ЗКП.

Р ассмотрим структурную схему изображенную на рисунке – 3.1, и разберем принцип ее работы.

Рисунок – 3.1 Структурная схема

Принцип работы этой схемы заключается в формировании импульсов заданной длительности при помощи делителей с переменным коэффициентом деления.

При поступлении на вход ГТИ запускающего сигнала генератор начинает формировать прямоугольные импульсы высокой частоты (порядка 150 МГц). При такой большой частоте необходимо добиться стабильности генератора, для этого желательно использовать кварцевый резонатор. С выхода ГТИ высокочастотный сигнал поступает на вход ДПКД, который позволяет преобразовывать сигнал с нужной дискретностью. В зависимости от подаваемого на ДПКД кода на выходе будем получать прямоугольные импульсы длительностью от 2 до 200 мкс с дискретностью определяемой частотой ГТИ. При правильном выборе частоты ГТИ такой метод позволяет получать импульсы с дискретностью 2 мкс. С выхода ДПКД сигнал поступает на устройство счета, которое производит пересчет кода поделенной частоты. Устройство счета удобнее всего реализовать на двоичных счетчиках. Параллельный код с выхода устройства счета поступает на ЦАП (резистивную матрицу типа R - 2R), формирующий в зависимости от кода линейно изменяющееся напряжение ступенчатой формы. При большой разрядности ЦАП выходное напряжение можно считать линейным, т.к. по качеству оно приближается к аналоговому сигналу. Для большей линейности на выходе схемы лучше поставить сглаживающий фильтр, который может быть реализован на операционном усилителе. На выходе принципиальной схемы мы получим пилообразное напряжение удовлетворяющее параметрам ЗКП.

Нестабильность и коэффициент нелинейности выходного напряжения данной структурной схемы будет определяться разрядностью ЦАП, остальные элементы будут оказывать незначительное влияние при соблюдении определенных условий.

Рассмотрим еще один из способов реализации ГЛИН на базе ЦАП.

Принцип работы этой схемы отличается от первой лишь методом получения сетки частот прямоугольных импульсов, а далее схема повторяет уже рассмотренную. Меандр поступает на устройство счета (СУ), с выхода которого снимается код счета и подается на ЦАП, где в зависимости от кода формируется линейно изменяющееся напряжение ступенчатой формы с выхода ЦАП, ЛИН поступает на сглаживающий фильтр (СФ).

Рисунок – 3.2 Структурная схема

Рассмотрим, чем же принципиально отличается эта схема от схемы изображенной на рисунке – 3.1.

Принцип работы этой схемы заключается в преобразовании уровня напряжения в импульсы прямоугольной формы.

Как видно из схемы на рисунке – 3.2 на ЦАП подается двоичный код, если код постоянно присутствует на входе до его изменения, то на выходе преобразователя будем получать различные уровни напряжения в зависимости от поданного кода. Идея преобразования этого напряжения (U1) в о временной интервал основана на сравнении в компараторе напряжений (КН) U1 и некоторого опорного напряжения Uоп, обычно линейно изменяющегося, и фиксации момента равенства упомянутых напряжений.

Опорным напряжением в КН является пилообразное напряжение длительностью более 200 мкс (с линейным изменением напряжения во время рабочего хода).

Ждущий мультивибратор (ЖМВ) вырабатывает периодически повторяющиеся прямоугольные импульсы U2, длительность которых tи определяет длительность рабочего хода пилообразного напряжения Uоп. В моменты равенства амплитуды входных сигналов или уровня входного медленно изменяющегося напряжения создается перепад напряжения на выходе компаратора. Таким образом, напряжение U3 представляет собой прямоугольные импульсы, модулированные по длительности.

Длительность импульсов U2 мультивибратора и, значит, длительность рабочего хода должна быть достаточно большой с там, чтобы ЛИН успело возрасти до максимально ожидаемого уровня входного напряжения. Точность преобразования уровня входного напряжения во временной интервал (длительность импульсов U3) зависит от параметров компаратора и, естественно, от степени линейности пилообразного напряжения.

Нестабильность и коэффициент нелинейности выходного напряжения данной структурной схемы будет определяться теми же параметрами, что и в схеме рассмотренной выше, а именно разрядностью ЦАП, остальные элементы будут оказывать незначительное влияние при соблюдении определенных условий.