Генератор пилообразного напряжения схема своими руками

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Генератор пилообразного напряжения. Часть 1

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о блокинг-генераторах, которые предназначены для формирования прямоугольных импульсов с большой скважностью и возможностью формировать амплитуду импульса в широком интервале напряжений. Сегодняшняя моя статья о способах формирования напряжения пилообразной формы, которые называются также генераторами пилообразного или линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Параметры пилообразного напряжения

Линейно изменяющееся или пилообразное напряжение имеет форму неравностороннего треугольника, то есть в течение определённого периода времени нарастает или спадает практически по линейному закону до некоторого амплитудного значения, а затем возвращается к исходному уровню. Временные диаграммы различных видов пилообразного напряжения изображены ниже

Временные диаграммы пилообразного напряжения: положительно нарастающее (а), положительно падающее (б), отрицательно падающее (в), отрицательно нарастающее (г).

Как и любой из генераторов импульсов, генератор пилообразного напряжения может работать как в автоколебательном, так и в ждущем режиме, но в любом случае можно выделить два основных периода работы: рабочий период (Т_Р), когда напряжение нарастает или спадает и период обратного хода (Т_О), в течении которого напряжение возвращается к исходному уровню. Поэтому период повторения пилообразных импульсов будет равен сумме рабочего периода и обратного хода

[math]T = T_

+ T_[/math]

Данное равенство справедливо для автоколебательного генератора пилообразного напряжения, в случае ждущего генератора к выражению добавляется также период ожидания запускающего импульса (Т_OZ), в течении которого выходное напряжение имеет некоторый постоянный уровень U_BbIX = const.

[math]T = T_

+ T_ + T_[/math]

Ввиду того что практически невозможно обеспечить постоянные параметры генератора пилообразного напряжения для оценки линейности рабочего участка напряжения вводится коэффициент нелинейности ξ. Под коэффициентом нелинейности понимается относительное изменение скорости нарастания напряжения во время рабочего хода

где k_Н, k_К – соответственно скорость нарастания напряжения в начале и в конце рабочего хода.

Эффективность ГЛИН зависит от коэффициента использования напряжения питания ε, которое определяется, как отношение амплитуды выходного напряжения U_m к значению напряжения источника питания Е

[math] \varepsilon = \frac>[/math]

• где Um – максимальная амплитуда импульсов,
• Е – напряжение источника питания.

Большинство параметров генераторов пилообразного напряжения являются расчётными и зависят от номиналов элементов схемы и назначения генератора:

• максимальная амплитуда напряжения U_m – от единиц до сотен вольт;
• длительность рабочего периода Т_Р – от нескольких микросекунд до нескольких сотен и тысяч миллисекунд;
• коэффициент нелинейности ξ: в осциллографии – до 10%, в телевидении – до 5%, в электроннолучевых индикаторах – до 2%, в точных каскадах сравнения – 0,1…0,2%;
• коэффициента использования напряжения питания ε – от 0,1 (в простейших генераторах) до 0,9 (у наиболее совершенных).

Принцип построения генераторов пилообразного напряжения

Принцип построения генераторов пилообразного напряжения основан на прохождении импульса напряжения через интегрирующую цепь. То есть на заряде (или разряде) конденсатора некоторым постоянным током, а потом его быстром разряде (или заряде). Таким образом, простейший генератор пилообразного напряжения состоит из зарядной (или разрядной) цепи, конденсатора и коммутирующего элемента, через который происходит быстрый разряд (или заряд) конденсатора, то есть приведение конденсатора в исходное состояние. На рисунке ниже показаны схемы простейших генераторов пилообразного напряжения

Схематическое изображение генераторов пилообразного напряжения: линейно-растущего (слева) и линейно-падающего (справа).

В схеме слева в рабочей стадии конденсатор заряжается, через зарядную цепь до некоторого напряжения, а в стадии обратного хода резко разряжается при помощи коммутирующего элемента. В случае линейно падающего напряжения в рабочий период происходит разряд конденсатора постоянным током, а затем резкий заряд. В большинстве случаев в качестве коммутирующего элемента применяются транзисторы, работающие в ключевом режиме и входящие в состав либо генератора прямоугольных импульсов, либо работающие от внешнего генератора.

В качестве зарядных (или разрядных) цепей в простейших генераторах пилообразного напряжения могут применяться резисторы, но они не дают низкого коэффициента нелинейности, к тому, же такие схемы не обеспечивают высокого коэффициента использования напряжения (ε ≤ 0,1). Лучшие параметры генератора обеспечивают зарядные (или разрядные) схемы с токостабилизирующими элементами или источниками (генераторами) тока. Ещё лучшие параметры обеспечивают генератора пилообразного напряжения, в которых применяются обратные связи в зарядных (или разрядных) цепях.

Простейший генератор пилообразного напряжения

Для получения пилообразного напряжения применяют различные генераторы, но во всех схемах основным элементом является конденсатор, который заряжают и разряжают постоянным током. Простейшей является схема на основе конденсатора и зарядного резистора, которая изображена ниже

Простейшие схемы генераторов пилообразного напряжения: вверху – линейно растущего напряжения, внизу – линейно падающего.

Рассмотрим принцип работы схемы линейно растущего напряжения. В начальный период времени на транзистор VT1 действует базовый ток, создаваемый сопротивлением R1 и VT1 находится в состоянии насыщения, напряжение на его коллекторе U_K, а следовательно и на конденсаторе С1 равно нулю (U_K = U_С ≈ 0). После того как на базу VT1 пришёл отрицательный входной импульс (момент времени t₀), транзистор запирается и конденсатор С1 начинает заряжаться током I_C, который ограничен сопротивлением R2

По мере того как конденсатор С1 заряжается на его обкладках напряжение растёт по экспоненциальному закону (см. RC- и RL-цепи) с постоянной времени τ_З = С1R2 и достигает значения U_М.

В момент времени t₁ (окончание действия импульса) напряжение на базе транзистора VT1 возрастает и за счёт резистора R1 становится выше напряжения насыщения. Это приводит к полному открытию транзистора и под действием базового тока I_В ≈ E_K/R1 через переход коллектор-эммитер начинается разряд конденсатора С1 с некоторой постоянной времени разряда τ_Р

где R_ВЫХ — выходное сопротивление транзистора.

Длительность обратного хода пилообразного напряжения определяется по следующей формуле

в тоже время [math]\frac*R2> = S[/math], где S – коэффициент насыщения транзистора должен находиться в пределах 1,5…3 для надёжного открытия транзистора. Таким образом [math]T_<0>=\frac>[/math].При увеличении коэффициента насыщения увеличивается задержка выходного напряжения.

Данный тип генератора пилообразного напряжения имеет два существенных недостатка обусловленных простотой конструкции:

1. Высокий коэффициент нелинейности γ = 5…10 %.
2. Необходимость использования источника питания с напряжением в десятки раз выше, чем амплитуда выходного импульса.

Расчёт простейшей схемы генератора пилообразного напряжения

Рассчитать параметры элементов простейшей схемы генератора пилообразного напряжения, который обеспечивает следующие характеристики выходного сигнала: длительность рабочего хода Т_Р = 500 мкс, амплитуда выходного напряжения U_m = 2 В, коэффициент нелинейности γ = 10.

1. Определим напряжение питания U_К, которое обеспечит заданные параметры U_m и γ
   [math]U_=\frac < U_>< \gamma >=\frac<2><10 \%>= 20 B[/math]
2. Выбираем тип транзистора VT1

[math]f_ \ge \frac<5>>=\frac<5> <0,0005>= 1 kHz[/math]

Данным параметрам соответствует транзисторы типа КТ315 со следующими параметрами [math]U_=30 B, I_=100 mA, I_=1 mkA, f_=250 MHz, h_<21e>=20…90[/math]

Вычисляем номинал резистора R2
[math]R2=\frac>>[/math]
Примем I_C = 20 мА, тогда
[math]R2=\frac<22><0,02>=1100 Om[/math]
Выберем R2 = 1 кОм

Определим сопротивление резистора R1, принимая коэффициент насыщения S = 1,5.
[math]R1=\frac*R2>= \frac<65*1><1,5>\approx 43,33 kOm[/math]
Примем R1 = 47 кОм.

Определим емкость конденсатора C1, который обеспечит заданный коэффициент нелинейности γ

Главным недостатком рассмотренного простейшего генератора пилообразного напряжения, как указывалось выше, является необходимость использования источника питания с достаточно высоким потенциалом (в несколько десятков раз больше, чем амплитуда импульса), поэтому схема данного типа применяется достаточно редко в аппаратуре, где амплитуда импульса небольшая, а требования к линейности невелики.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Простой высокочастотный генератор пилообразного напряжения

Luca Bruno, Италия

В широтно-импульсных модуляторах часто используются аналоговые генераторы пилообразного напряжения. Показанная на Рисунке 1 недорогая схема такого генератора может использоваться в маломощных приложениях на частотах до 10 МГц. Схема отличается хорошей линейностью рабочего хода и стабильностью частоты.

Для генерации пилообразного напряжения используется заряд и быстрый разряд конденсатора CT. Размах «пилы» ограничивается верхним и нижним пороговыми напряжениями триггера Шмитта.

Схема сделана на одном инверторе с входным триггером Шмитта, работающем как модифицированный мультивибратор. Выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора C_T, напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. R_TC_T заряжается постоянным напряжением, поэтому напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону и аппроксимировать его прямой линией можно лишь на начальном участке экспоненты.

Простейший способ улучшить линейность пилообразного напряжения – увеличить напряжение питания цепочки R_TC_T. Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C₁ с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем C_T. Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D₁ до напряжения V_CC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор C_T разряжается через диод D₂.

Когда спадающий фронт напряжения на C_T достигнет нижнего порога V_T − триггера Шмитта, на выходе инвертора установится высокий логический уровень. Начнется заряд конденсатора C₁, и на катоде диода D₁ установится сумма напряжений на C₁ и на выходе инвертора. D₁ закроется, и цепь R_TC_T начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C₁. В момент, когда напряжение на C_T поднимется до верхнего порога V_T + триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

Линейность «пилы» пропорциональна сумме напряжений питания V_CC и V_DD. Поскольку V_DD равно +5 В, и фиксировано, улучшать линейность остается только за счет V_CC. Оценить степень нелинейности рабочей области пилообразного напряжения можно с помощью следующего выражения:

E_NL% – ошибка нелинейности в процентах,
M_I – угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
M_F – угол наклона рабочей области на конечном участке,

V_F – прямое падение напряжения на диоде D₁.

Постоянная времени R_TC_T определяет частоту пилообразного напряжения F_O. Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда C_T и любым разрядом C₁, можно с помощью выражения:

K – константа, определяемая из следующего выражения:

Моделирование схемы со значениями C_T=100 пФ и R_T=2.2 кОм показывает, что нелинейность пилообразного напряжения равна

Был собран макет схемы, в которой V_DD=V_CC=5 В, C_T=100 пФ и R_T=2.2 кОм. В качестве инвертора использовалась микросхема 74HC14 в стандартном корпусе DIP, имеющая задержку распространения 15 нс (против 4.4. нс у SN74LVC1G14 при напряжении питания 5 В). Измеренная частота равнялась приблизительно 12.7 МГц.

Частотозадающий конденсатор C_T должен быть пленочным, с низким током утечки, а его емкость не должна быть большой, чтобы сократить затраты энергии при перезаряде. В то же время, для уменьшения вносимых ошибок, емкость C_T должна значительно превосходить емкость входов микросхемы и паразитные емкости.

Сопротивление R_T выбирайте достаточно небольшим, чтобы снизить влияние паразитных емкостей.

В качестве IC₁ можно использовать любой КМОП инвертор с триггером Шмитта на входе. Однако для повышения стабильности частоты следует выбирать микросхемы из наиболее быстродействующих семейств, с малым временем задержки распространения и большим выходным током. Вполне подойдет выпускаемый Texas Instruments одновентильный инвертор SN74LVC1G14.

Чтобы воспользоваться приведенными выше выражениями, нужно прямо в схеме измерить пороговые напряжения триггера Шмитта, в особенности V_T − . Необходимо принимать во внимание, что из-за конечной задержки распространения инвертора разряд C_T прерывается не в момент достижения порога V_T − , а несколько позже. Этот факт следует учитывать, чтобы компенсировать ошибку расчетов, выполняемых на основе измеренных значений V_T − .

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Читайте также:  Как затонировать машину своими руками лада