8,5. Генераторы пилообразного напряжения

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.

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

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.

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.

Выходной сигнал ГПН на интервале рабочего хода изменяется по закону:

(8.18)

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

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.

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. 8.30. Из визуального сравнения осциллограмм сигналов видно, что генерируемый ГПН пилообразный сигнал имеет заметную нелинейность. Для ее оценки используется коэффициент нелинейности, определяемый выражением:

(8.19)

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

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:

(8.20)

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=0,625. Заметим, что используемые, например, в аналого-цифро-вых преобразователях ГПН имеют нелинейность порядка 0,001 и менее.

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.

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).

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

Контрольные задания

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

2. 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.

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