8,5. Генераторы пилообразного напряжения

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) чаще всего выполняются с внешним управлением. При этом длительность рабочего хода определяется длитель ностью внешнего управляющего импульса прямоугольной формы. При необходимости можно создать генераторы, работающие в ждущем (с запуском от короткого импульса), автоколебательном или в режиме синхронизации.

Генераторы пилообразного напряжения и тока находят широкое применение в автоматике, телевидении, технике связи, измерительной технике и в других областях прикладной радиоэлектроники. Основными характеристиками этих генераторов являются линейность рабочего участка выходного напряжения, длительность рабочего и обратного хода, период повторения.

В простейшем случае, когда не требуется высокая линейность рабочего участка выходного напряжения, ГПН выполняется по схеме интегрирующей RC-цепи со сбросом заряда при обратном ходе. Схема такого ГПН приведена на рис. 8.29, а. Она содержит интегрирующую RC-цепь, ключ на транзисторе VT, генератор G импульсов сброса, осциллограф, функциональный генератор и два ключа Z и А, управляемых одноименными клавишами и предназначенных для реализации различных режимов моделирования. Показанные на панели функционального генератора значения коэффициента заполнения позволяют получить короткий импульс сброса с генератора G при формировании обратного хода, а на выходе функционального генератора — образцовое пилообразное напряжение (с высокой линейностью), которое будет использовано при оценке нелинейности ГПН.

Выходной сигнал ГПН на интервале рабочего хода изменяется по закону:

При положении ключей, показанном на рис. 8.29, а, осциллограммы сигналов в контрольных точках схемы представлены на рис. 8.29, б, откуда видно, что формирование выходного сигнала (рабочий ход) происходит в паузах между короткими сигналами сброса, поступающими с генератора G. Длительность этих импульсов при установленных частоте следования 1 Гц и коэффициенте заполнения 2% составляет 0,02 с.

где T=RC=1 с — постоянная времени RC-цепи на рис. 8.29, а.

(8.18)

Для сравнения пилообразного сигнала ГПН с образцовым (создаваемым функциональным генератором) переведем ключ А в верхнее положение. При этом функциональный генератор будет подключен к каналу А осциллографа, на экране которого увидим осциллограммы, показанные на рис. Из визуального сравнения осциллограмм сигналов видно, что генерируемый ГПН пилообразный сигнал имеет заметную нелинейность. Для ее оценки используется коэффициент нелинейности, определяемый выражением:

Выходное напряжение в конце рабочего хода (через 0,98 с после сброса) достигает максимального значения: Uom=6,4[l-exp(-0,98/l)]=6,4(1-0,375)=4 В, что практически совпадает с результатами моделирования.

где VH, V„ — значения скорости выходного напряжения в начале и конце рабочего хода соответственно.

(8.19)

(8.20)

Для определения скорости нужно взять производную по времени от выражения (8.18). Проделав такую операцию, получаем выражение для скорости выходного напряжения ГПН в следующем виде:

Из выражения (8.20) при t=0 с и t=0,98 с получаем соответственно Vн=6,4exp(-0)/l=6,4 В/с и Vк=6,4exp(-0,98/l)/l=2,4 В/с. После подстановки этих значений в формулу (8.19) получаем коэффициент нелинейности Кн.=(6,4-2,4)/6,4=0,62 Заметим, что используемые, например, в аналого-цифро-вых преобразователях ГПН имеют нелинейность порядка 0,001 и менее.

Очевидно, что для улучшения линейности необходимо, чтобы ток заряда конденсатора оставался неизменным. Это может достигаться различными методами, но наиболее простым является параметрический, при котором ток заряда поддерживается неизменным (с определенной точностью) с помощью стабилизатора тока. Схема такого ГПН приведена на рис. 8.32, а. Он отличается от ранее рассмотренного наличием всего одного компонента — полевого транзистора VT1, который и выполняет роль стабилизатора тока. Полевой транзистор поддерживает постоянным ток в зарядном резисторе R. Если этот ток начинает уменьшаться, то уменьшается и падение напряжения на резисторе, а это вызывает компенсирующее увеличение тока через полевой транзистор за счет уменьшения сопротивления его канала. Поскольку при этом напряжение на затворе меняется в широких пределах (от нулевого до Uom), необходимо выбирать полевой транзистор с максимально возможным напряжением отсечки нe менее Uom).

Оценим нелинейность выходного напряжения ГПН, сравнивая его с образцовым напряжением, источником которого является функциональный генератор. Для этого переключатели А и Z (см. рис. 8.29, а) переведем в верхнее положение. Результаты измерений приведены на рис. 8.31, из которого видно, что максимальное отклонение (осциллограмма В) от линейности имеет место при выходном напряжении около 2 В. Если до этого момента, а это около 0,5 с, напряжение нарастало с большей скоростью по сравнению с образцовым, то затем скорость начинает падать. Объясняется это тем, что по мере заряда конденсатора зарядный ток уменьшается.

Из осциллограмм на рис. 8.32, б видно, что ГПН со стабилизатором тока отличается от ГПН с зарядным резистором более высокой линейностью выходного напряжения.

Установите зависимость амплитуды и линейности выходного напряжения ГПН на рис. 8.29, а от напряжения питания Ucc.

Контрольные задания

Проведите измерение разностного сигнала в ГПН на рис. 8.29,а.

Установите зависимость амплитуды выходного сигнала ГПН на рис. 8.29, а от напряжения питания Ucc и напряжения отсечки полевого транзистора. При моделировании используйте собственную библиотеку полевых транзисторов.