Меню

Схема простейшего генератора пилообразного напряжения

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.

Схема сделана на одном инверторе с входным триггером Шмитта, работающем как модифицированный мультивибратор. Выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора CT, напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. RTCT 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 RTCT. Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C1 с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем CT. Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D1 до напряжения VCC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор CT разряжается через диод D2.

Когда спадающий фронт напряжения на CT достигнет нижнего порога VT − 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 RTCT начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C1. В момент, когда напряжение на CT поднимется до верхнего порога VT + триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

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

ENL% – ошибка нелинейности в процентах,
MI – угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
MF – угол наклона рабочей области на конечном участке,

VF – прямое падение напряжения на диоде D1.

Постоянная времени RTCT определяет частоту пилообразного напряжения FO. Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда CT и любым разрядом C1, можно с помощью выражения:

K – константа, определяемая из следующего выражения:

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

  • 28% при VCC = VDD = 5 В,
  • 18% при VCC = 10 В и VDD = 5 В,
  • 14% при VCC = 15 В и VDD = 5 В.

Был собран макет схемы, в которой VDD=VCC=5 В, CT=100 пФ и RT=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 CT 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 CT должна значительно превосходить емкость входов микросхемы и паразитные емкости.

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

Читайте также:  Как проверить работу стабилизатора напряжения 220в своими руками

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 VT − . Необходимо принимать во внимание, что из-за конечной задержки распространения инвертора разряд CT прерывается не в момент достижения порога VT − , а несколько позже. Этот факт следует учитывать, чтобы компенсировать ошибку расчетов, выполняемых на основе измеренных значений VT − .

Texas Instruments - SN74LVC1G14

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛА ПИЛООБРАЗНОЙ ФОРМЫ

Кадровая развертка. Задающий генератор пилообразного напряжения (рис. 11.4) собран на транзисторах VT1 и VT2. При включения питающего напряжения конденсаторы С1 и С2 заряжа­ются. Через базовые цепи транзисторов протекают токи, которые выводят транзисторы в режим насыщения. Спустя некоторое время зарядный ток конденсаторов уменьшится и достигнет такого значе­ния, при котором один из транзисторов выйдет из насыщения. Изменение напряжения в цепи коллектора транзистора VT1 закроет транзистор VT2. В результате конденсатор С1, включенный в цепь ООС, будет медленно разряжаться через коллекторную цепь тран­зистора VT1. Так как отрицательно заряженная обкладка конден­сатора С1 подключена к базе транзистора VT1, при разряде конденсатора уменьшается ток базы и в результате автоматически уста­навливается такое соотношение между токами коллектора и базы, которое точно равно коэффициенту передачи тока транзистора. За все время разряда конденсатора ток базы и напряжение на базе меняются незначительно. Ток через резисторы R1 и R2 остается постоянным и не зависит от процессов, протекающих в устройстве. Таким образом, во время прямого хода в генераторе имеется глубо­кая ООС, поддерживающая постоянным ток разряда конденсатора С1, а следовательно, и высокую линейность пилообразного напря­жения. Поскольку коэффициент передачи тока транзистора меняет­ся в зависимости от приложенного напряжения (в первоначальный момент на 1 — 2%), то и нелинейность сигнала будет характеризо­ваться таким же значением. Процесс разряда конденсатора прекра­щается при таких напряжениях на коллекторе, которые требуют для управления током коллектора значительного увеличения тока базы. Коэффициент передачи тока транзистора резко падает. В этом слу­чае на базе транзистора VT2 значительно уменьшается закрываю­щий сигнал. Транзистор VT2 открывается. В его коллекторе появ­ляется положительное напряжение, открывающее транзистор. Воз­никает лавинообразный процесс. Оба транзистора открыты. Цикл работы повторяется.

Рис. 11.4

Приведенные на схеме номиналы элементов формируют на вы­ходе сигнал с амплитудой больше 10 В и с частотой 50 Гц. Для регулирования амплитуды выходного сигнала и его линейности служат резисторы R7 и R8 соответственно. Резистор R1 меняет ча­стоту задающего генератора.

Генератор двухполярного пилообразного сигнала. Генератор пилообразного сигнала с регулируемым наклоном (рис. 11.5) состо­ит из двух интегрирующих цепочек R5, С1 и R2, С2 и порогового элемента, построенного на транзисторах VT1 и VT2. При включении питания на базе транзистора VT2 возникает сигнал 10 В. По мере заряда конденсатора С1 напряжение уменьшается. В это время на­пряжение на базе транзистора VT1 увеличивается. На разных кон­цах потенциометра существуют сигналы с различными фронтами. Когда напряжение на базах транзисторов VT1 и VT2 сравняется, они откроются и произойдет разряд конденсаторов. После этого начнется новый цикл работы генератора. Наклон выходного пило­образного сигнала можно регулировать с помощью потенциометра в широких пределах.

Читайте также:  Частота двухтактного преобразователя напряжения

Рис. 11.5

Рис. 11.6

Управляемый генератор. Генератор пилообразного сигнала (рис. 11.6, а) построен по схеме интегратора с большой постоянной времени, которая определяется выражением т = h21ЭC1R4 где h21э — коэффициент передачи тока транзистора VT1. Транзистор VT1 медленно открывается: конденсатор С1 включен в цепь ООС. Напряжение в цепи коллектора уменьшается. В некоторый момент открывается диод VD2 и шунтирует вход транзистора VT2. Тран­зистор VT2 закрывается. Для ускорения процесса закрывания в его коллектор включена динамическая нагрузка — транзистор VT3. Через эмиттер транзистора VT3 конденсатор С1 быстро заряжается. В ре­зультате обратный ход пилообразного сигнала сведен к минимуму. Его длительность составляет менее 5 икс. Длительность пилообраз­ного сигнала можно регулировать с помощью базового тока тран­зистора VT1 (рис. 11.6,6).

Генератор пилообразного сигнала на интеграторе. В основу ге­нератора (рис. 11.7) положен интегратор на транзисторе. В качест­ве порогового и усилительного элементов используется интегральная микросхема К122УД1. Порог срабатывания микросхемы, равный 3 В, устанавливается делителем Rl, R2. При включении питания в коллекторе транзистора напряжение не может измениться скач­ком. Отрицательная обратная связь через конденсатор формирует на выходе линейно нарастающий сигнал. Постоянная времени равна т=h21ЭR3С2, где h21Э — коэффициент передачи тока транзистора. Когда напряжение на коллекторе достигнет 3 В, интегральная мик­росхема переключится. Положительное напряжение на выводе 5 пройдет через диод и откроет транзистор. Произойдет разряд кон­денсатора С2. На коллекторе вновь появится нулевой потенциал.

Рис. 11.7

Схема начнет новый цикл работы. Схема с указанными номиналами элементов формирует выходной сигнал с амплитудой 3 В, частотой следования 100 Гц и длительностью заднего фронта 0,1 мс.

Запускаемый генератор двухполярного сигнала. Для получения высоковольтного сигнала пилообразной формы в генераторе (рис. 11.8) применяют два каскада, на выходах которых формиру­ются падающий и нарастающий сигналы. Каждый каскад состоит из двух транзисторов. Транзисторы VT2 и VT4 являются сбрасыва­ющими, a VT1 и VT3 — активными элементами, в коллекторах ко­торых формируются выходные сигналы. После включения питания напряжение на коллекторе транзистора VT3 не может скачком из­мениться. Этому препятствует ООС через конденсатор С2. Напря­жение на коллекторе будет медленно нарастать. Скорость увеличе­ния напряжения определяется постоянной времени т=Л2Cz(Ru-<-+Rт), где hzi Э — коэффициент передачи тока транзистора. Рези­стор R7 является ограничивающим. В другом каскаде в первый мо­мент появляется напряжение 100 В. Далее напряжение уменьшается и стремится к нулю. Сброс напряжения в коллекторе транзистора VT1 происходит в тот момент, когда приходит входной импульс. В это время открывается транзистор VT4. Импульсный сигнал с конденсатора С4 проходит на базу транзистора VT2 и открывает его. Происходит одновременный сброс конденсаторов С1 и С2.

Читайте также:  Регулятор напряжения для мотоцикла honda

Рис. 11.8

Генератор пилообразного сигнала с регулируемой линейностью. В основу генератора (рис. 11.9) положен принцип заряда конденсатора С2 стабилизированным током. Стабилизатор тока построен на транзисторе VT2. Сигнал с конденсатора С2 поступает на вход эмиттерного повторителя. При формировании пилообразного сигнала напряжение на конденсаторе увеличивается. Одновременно с повы­шением напряжения на конденсаторе увеличивается ток базы тран­зистора VT3. В результате конденсатор заряжается не постоянным током, как того требует линейное нарастание напряжения, а током, уменьшающимся во времени. На заряд конденсатора влияет входное сопротивление эмиттерного повторителя. Для получения пилообраз­ного напряжения необходимо скомпенсировать ток базы транзисто­ра. Этого можно достигнуть цепью ОС, связывающей эмиттеры тран­зисторов VT2 и VT3. С увеличением выходного сигнала эмиттерного повторителя увеличивается эмнттерный ток транзистора VT2. Меняя сопротивление резистора R9 в цепи ОС, мы можем добиться возра­стающей или убывающей формы выходного сигнала.

Рис. 11.9

Для разряда конденсатора в схеме применяется блокинг-генера-тор. Во время заряда конденсатора диод закрыт питающим напря­жением. Когда транзистор VT1 открыт, конденсатор С2 разряжает­ся через диод VD1. Амплитуда выходного сигнала регулируется ре­зистором R5, а частота — резистором R1. Максимальная амплитуда равна 15 В.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Схема простейшего генератора пилообразного напряжения

Генератор пилообразного напряжения – генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), электронное устройство, формирующее периодические колебания напряжения пилообразной формы.

Генератор пилообразного напряжения может работать в двух режимах: режиме самовозбуждения и режиме с посторонним возбуждением.

Режим самовозбуждения характерен тем, что разрядный элемент на входе генератора пилообразного напряжения представляет собой пороговое устройство, которое срабатывает при некотором напряжении и разряжает конденсатор до нулевого напряжения, после чего снова запирается на время прямого хода.

Режим с посторонним возбуждением характерен тем, что разрядный элемент на входе генератора пилообразного напряжения представляет собой ключ, управляемый некоторым импульсным устройством (мультивибратор, триггер, одновибратор).

На рисунке 1 представлена схема генератора пилообразного напряжения.

Рис. 1 Схема генератора пилообразного напряжения

Простейший генератор пилообразного напряжения (рис. 1) состоит из интегрирующей цепи RКC и транзистора VT, выполняющего функции ключа, управляемого периодическими импульсами Uвх(t). Для получения пилообразного напряжения используют процесс заряда (разряда) конденсатора С. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор-эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 2).

Рис. 2 Временные диаграммы генератора пилообразного напряжения

При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением +ЕК – прямой (рабочий ход, TР) ход. Выходное напряжение генератора пилообразного напряжения, снимаемое с конденсатора С, изменяется по закону

По окончании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход, TО) через малое сопротивление эмиттер-коллектор.

Основные характеристики генератора пилообразного напряжения: амплитуда пилообразного напряжения ΔU, коэффициент нелинейности ε и коэффициент использования напряжения kE источника питания.

Источник