Характеристика, виды и принцип работы генераторов линейно изменяющегося напряжения и тока

Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (ГПИ)

Напряжением пилообразной формы называется такое напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется по линейному закону (возрастает или убывает), а затем возвращается к исходному уровню.

Различают:

линейно-возрастающее напряжение;

линейно-падающее напряжение.

Генератор пилообразных импульсов — устройство, формирующее последовательность пилообразных импульсов.

Назначение генераторов пилообразных импульсов.

Предназначены для получения напряжения и тока, изменяющегося во времени по линейному закону.

Классификация генераторов пилообразных импульсов:

По элементной базе:

на транзисторах;

на лампах;

на интегральных микросхемах (в частности, на ОУ);

По назначению:

генераторы пилообразного напряжения (ГПН) (другое название — генераторы линейно изменяющегося напряжения — ГЛИН);

генераторы пилообразного тока (ГПТ) (другое название — генераторы линейно изменяющегося тока — ГЛИТ);

По способу включения коммутирующего элемента:

последовательная схема;

параллельная схема;

По способу повышения линейности формируемого напряжения:

с токостабилизирующим элементом;

компенсационного типа.

Устройство генераторов пилообразных импульсов:

В основе построения лежит электронный ключ, коммутирующий конденсатор с заряда на разряд.

Принцип действия генераторов пилообразных импульсов.

Т.о., принцип получения возрастающего или падающего напряжения объясняется процессом заряда и разряда конденсатора (интегрирующего цепь). Но, т.к. поступление импульсов на интегрирующую цепь необходимо коммутировать, используется транзисторный ключ.

Простейшие схемы генераторов пилообразных импульсов и их функционирование.

При размыкании электронного ключа конденсатор медленно, через сопротивление R заряжается до величины Е, формируя при этом пилообразный импульс. При замыкании электронного ключа конденсатор быстро разряжается через него.

При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения Uвых (t) изменится на линейно возрастающее напряжение.

Таким образом, видно (можно отметить как один из главных недостатков), что чем больше амплитуда напряжения на конденсаторе, тем больше нелинейность импульса. Т. е. необходимо формировать выходной импульс на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.

2. Генераторы линейно изменяющегося напряжения Рассмотрим простейшие схемы и работу генераторов пилообразного напряжения.

Устройство генераторов пилообразного напряжения.

Генераторы пилообразного напряжения состоят из транзисторного ключа и конденсатора.

Рассмотрим одновременно последовательную и параллельную схемы генераторов пилообразного напряжения и сравним их работу.

Последовательная схема:

Рис. 1.

Временные диаграммы, отражающие работу данной схемы имеют вид:

Рис. 2.

Параллельная схема:

Рис. 3

Временные диаграммы, отражающие работу данной схемы имеют вид:

Рис. 4.

На временных диаграммах:

tпр.х.и. — время прямого хода импульса;

tоб.х.и. — время обратного хода импульса.

Т.к. конденсатор заряжается экспоненциально, то кривая напряжения нелинейная. Для линейности процесс должно выполняться условие:

tпр < tц, где tпр — время переходного процесса;

tц — постоянная времени цепи.

Работа схем генераторов пилообразного напряжения.

В исходном состоянии на входе схем сигналы не подаются. В результате транзисторы находятся в открытом состоянии. В последовательной схеме конденсатор заряжен, в параллельной схеме конденсатор разряжен. (В результате в последовательной схеме конденсатор быстро заряжается через транзистор. Напряжение на конденсаторе примерно равно напряжению источника питания, т. е. Uс+Ек. В параллельной схеме транзистор открыт. Следовательно, замкнута цепь разряда конденсатора, т. е. напряжение на конденсаторе равно нулю, Uс=0).

При подаче на вход схемы отрицательного импульса его длительность должна быть равна длительности формируемого пилообразного напряжения. Так как импульс отрицательный, транзистор закрывается, следовательно, в последовательной схеме конденсатор С медленно разряжается через резистор R3. На выходе формируется линейно падающее напряжение. В параллельной схеме конденсатор С медленно заряжается от источника +Е. На выходе формируется линейно возрастающее напряжение.

Когда заканчивается действие входного импульса, транзисторы открываются и схемы быстро возвращаются к исходному состоянию.

Т.о., простейший генератор формирует линейно-падающее и линейно-возрастающее напряжение.

Достоинство схем — простота.

Недостатком схем является то, что формируется не линейное напряжение, а напряжение, изменяющееся по экспоненте (как заряжается конденсатор С). В экспоненте линейный участок занимает только 10% от Uмах.

Поэтому использовать такие ГПН энергетически невыгодно. Так, например, для импульсов с амплитудой 10 В необходим источник 100 В.

Для устранения недостатков таких простейших схем используют ряд способов, благодаря которым и созданы более широко используемые ГПН, которые лишены указанных недостатков.

Генератор пилообразного напряжения с токостабилизирующим элементом.

Эта схема повторяет схему простейшего ГПН последовательного типа, но вместо сопротивления R3, через который разряжается конденсатор С, включён транзистор VT2 с резистором R. В результате, линейность формируемого пилообразного напряжения резко возрастает.

Рис. 5.

Работа ГПН с токостабилизирующим элементом.

Для получения линейно-падающего напряжения необходимо, чтобы ток разряда конденсатора был постоянен (Iразр=const). Это достигается путём включения в цепь разряда конденсатора С транзистора VT2, работающего в активном режиме. В начале разряда, когда Iразр большой, через цепь разряда стремиться протекать тоже большой ток. Но при этом на Rэ появиться относительно большое напряжение. Транзистор VT2 подзакрывается и конденсатор будет разряжаться медленнее. В конце разряда конденсатора С, когда ток разряда маленький, транзистор VT2 приоткрывается, ток Iразр конденсатора остаётся постоянным. Т. е. выполняется условие Iразр=const.

Сказанное поясняется вольтамперной характеристикой биполярного транзистора.

Источник ±Есм позволяет в исходном состоянии выбрать значение Iб транзистора VT2.

Работа схемы в целом заключается в следующем.

В исходном состоянии транзистор VT1 открыт за счёт малого Rк, т.к. Uвых=Uс=Е. (Т.е. Rб.

При запускающем импульсе транзистор закрывается и конденсатор С разряжается, транзистор VT2 открывается. Транзистор VT2, Rэ, Есм — стабилизатор тока с ООС. Сопротивление Rэ, осуществляющее ООС, достаточно велико.

Чтобы не использовать второй источник Есм, применяют схему автоматического смещения с делителем напряжения и Rэ.

Генератор пилообразного напряжения компенсационного типа.

Рассмотрим схему такого ГПН, собранного на ОУ.

Рис. 6.

Рассматриваемая схема генератора относится к схемам линейно изменяющегося напряжения компенсационного типа.

В таких схемах имеется источник (компенсирующий), который «следит» за изменением напряжения на конденсаторе Uс и компенсирует его, т. е.

Uс-Uк=0.

В данной схеме, когда ключ замкнут, конденсатор разряжен. Когда ключ разомкнут, появляется возможность его заряда. Ключ может представлять собой обычный транзисторный ключ, который управляется видеоимпульсами. На схему подаётся напряжение питания Е. В результате заряжается конденсатор С и на выходе появляется линейно-возрастающее напряжение отрицательной полярности.

В результате ООС через конденсатор С это напряжение также приложено к данному конденсатору, но с обратным знаком, т. е. Uс=_Uвых.(т.е. Uвых старается поддерживать Uвх=0, что является особенностью ОУ). В результате ток разряда конденсатора iразр будет определяться по формуле:

Iразр=(Е-Uc+Uвых)/R.

Так как Uс=Uвых, то Iразр=E/R=const.

Т.к. напряжения конденсатора и выходаUc и Uвых одинаковы по величине, но противоположны по знаку, имеем постоянство тока разряда конденсатора С, а, следовательно, линейность выходного напряжения.

Т.о. генераторы пилообразного напряжения позволяет формировать пилообразное напряжение только, если в их состав входит схема стабилизации (повышения) линейности формируемого напряжения.

Рассмотрим некоторые параметры ГЛИН.

• 1) Амплитуда выходного импульса Um=Uc;
• 2) Коэффициент нелинейности — оценивает отклонение ЛИН от линейного:

Кн=(Iс нач-Iс кон)/Iс кон.

Iс нач=E/R;

Iс кон=(E-Uс)/R;

Считая, что Uc<<�Е, для простейшей схемы получим:

Кн=Uc/Е=tи/tц=tпр.х./tц.

3) Коэффициент использования ИП — показывает, на сколько амплитуда пилообразного напряжения Аm меньше предельно возможной, т. е.

Ки=Uс/(Е-Uо),.

т.к. Uо можно пренебречь, то:

Ки=U/Е=Аm/Е.

Т.о., для простейшей схемы:

Кн=Ки, т. е., если нужно получить Кн=1%, то Uс=0.01Е.

• 4) Время прямого хода импульса tпр.х.и.;
• 5) Время обратного хода импульса tоб.х.и.

ГПН могут применяться для получения сигналов отклонения луча в электронно-лучевой трубке с электростатическим отклонением. Использовать их в электронно-лучевой трубке с электромагнитным отклонением нельзя. Следовательно, необходимо использовать генераторы пилообразного тока.

3. Генераторы линейно изменяющегося тока

Как уже сказано выше, генераторы постоянного тока применяется (ГПТ) в электронно-лучевой трубке с электромагнитным отклонением луча. В отличии от ГПН в ГПТ имеется «развязка» выхода ГПН с отклоняющей катушкой. Это или эмиттерный повторитель (ЭП) или усилитель (УС). Отсюда, в состав ГПТ входят ГПН и ЭП (УС), нагрузкой которого является отклоняющая катушка.

ЭП применяется для согласования с малым сопротивлением отклоняющей катушки.

В данной схеме имеется ГПН, собранный по параллельной схеме. Здесь диод VD предназначен для ускорения разряда конденсатора С и возврата схемы в исходное состояние. Когда конденсатор С заряжается, напряжение с него подаётся на транзистор VT2. Транзистор VT2 открывается и через отклоняющую катушку Lок начинает протекать ток.

В результате луч отклоняется. Чтобы через катушку протекал линейно возрастающий ток, необходимо на базу транзистора VT2 подавать трапециидальное напряжение:

U=Uc+UR4,.

где UR4 называется пьедесталом.

В схеме сопротивление шунта Rш служит для срыва колебаний в Lок.

Недостаток рассмотренной схемы генератора линейно изменяющегося тока является нелостаточная линейность получаемого выходного сигнала.

В нескольких словах необходимо указать на применение генераторов линейно изменяющихся импульсов (ГПИ).

Применение линейно изменяющихся импульсов (ГПИ).

В аппаратуре связи — при перестройки станции с одной частоты на другую.

В аппаратуре РЭБ и разведки — для поиска сигналов по частоте или для постановки накрывающих или скользящих помех.

В радиолокации в схемах определения дальности до цели и скорости сближения с целью.

В ЭЛТ ГПН могут применяться для получения сигналов отклонения луча в электронно-лучевой трубке с электростатическим отклонением. Генераторы постоянного тока применяется в электронно-лучевой трубке с электромагнитным отклонением луча.

Заключение

напряжение генератор импульс линейный Выходной импульс в генераторах пилообразных импульсов необходимо формировать на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.

Генераторы пилообразного напряжения позволяют формировать пилообразное напряжение только, если в их состав входит схема стабилизации (повышения) линейности формируемого напряжения.

Для согласования с малым сопротивлением отклоняющей катушки в ГПТ имеется «развязка» выхода ГПН с отклоняющей катушкой. Это или эмиттерный повторитель (ЭП) или усилитель (УС). Отсюда, в состав ГПТ входят ГПН и ЭП (УС), нагрузкой которого является отклоняющая катушка.