Тема: Генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока.

Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (ГПИ).

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Генераторы линейно изменяющегося тока.

Литература:

Брамер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа,1985. (220 -237).

Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 249-261,267-271.

1. 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.

Схематично функционирование ГПИ выглядит следующим обра­зом:

Параллельная схема:

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.

Выходной импульс имеет следующую форму:

При смене полярности источника питания Е форма выходного сигнала будет симметрична относительно оси времени.

Последовательная схема:

При замыкании электронного ключа конденсатор быстро заряжается до величины источника питания Е, а при размыкании - разряжается через сопротивление R, формируя при этом линейно падающее напряжение пилообразной формы, которое имеет вид:

При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения U вых (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.

Генератор пилообразного напряжения для варикапов.

При работе с высокочастотным генератором, перестраеваемым варикапом, потребовалось изготовить для него управляющий генератор пилообразного напряжения. Схем генераторов "пилы" существует великое множество, но ни одна из найденных не подошла, т.к. для управления варикапом требовался размах выходного напряжения в пределах 0 - 40В при питании от 5В. В результате раздумий получилась вот такая схема.

Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяестся резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел). Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится... микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а неинвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0. Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхро-импульса на выводе GP2 амплитудой 5В. Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и может изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 мГц. При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К - 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.
Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В. Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.
Генератор собран на плате размером 32х36 мм. Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы. При сборке следует в первую очередь установить микроконтроллер DD1. Затем к проводникам платы временно подпаивают провода от разъема программатора и загружают прилагаемую программу. Отладка программы производилась в среде MPLAB, для загрузки использовался программатор ICD2.

Хотя описанное устройство и решило поставленную задачу и поныне успешно работает в составе свип-генератора, для расширения его возможностей приведенная схема может рассматриваться скорее как идея. Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала. При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В (что было одним из требований к устройству). Для термостабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напяжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ - генератор линейно изменяющегося (тока), электронное устройство, формирующее периодич. напряжения (тока) пилообразной формы. Осн. назначение Г. п. н.- управление временной развёрткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. Г. п. н. применяют также в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов. Для получения пилообразного напряжения используют процесс (разряда) конденсатора в цепи с большой постоянной времени. Простейший Г. п. н. (рис. 1, а) состоит из интегрирующей цепи RC и транзистора, выполняющего функции ключа, управляемого периодич. импульсами. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор - эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 1, б). При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением - Е к - прямой (рабочий) ход. Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С , изменяется по закону . По окон чании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер - коллектор. Осн. характеристики Г. п. н.: амплитуда пилообразного напряжения , коэф. нелинейности и коэф. использования напряжения источника питания. При в данной схеме

Длительность прямого хода T р и частота пилообразного напряжения определяются длительностью и частотой коммутирующих импульсов.

Недостатком простейшего Г. п. н. является малый k E при малом. Требуемые значения е лежат в пределах 0,0140,1, причём наименьшие значения относятся к устройствам сравнения и задержки. Нелинейность пилообразного напряжения во время прямого хода возникает из-за уменьшения зарядного тока вследствие уменьшения разности напряжений . Приблизительного постоянства зарядного тока добиваются включением в цепь заряда нелинейного токостабилизирующего двухполюсника (содержащего транзистор или электронную лампу). В таких Г. п. н. и . В Г. п. н. с положит. обратной связью по напряжению выходное пилообразное напряжение подаётся в зарядную цепь в качестве компенсирующей эдс. При этом зарядный ток почти постоянен,, что обеспечивает значения 1 и =0,0140,02. Г. п. н. используют для развёртки в электронно-лучевых трубках с эл--магн. отклонением луча. Чтобы получить линейное отклонение, необходимо линейное изменение тока в отклоняющих катушках. Для упрощённой эквивалентной схемы катушки (рис. 2, а) условие линейности тока выполняется при подаче на зажимы катушки трапецеидального напряжения. Такое трапецеидальное напряжение (рис. 2, б )можно получить в Г. п. н. при включении в зарядную цепь дополнит. сопротивления R д (показано на рис. 1, а пунктиром). Отклоняющие катушки потребляют большие токи, поэтому генератор трапецеидального напряжения дополняют усилителем мощности.

Принцип работы релаксационного генератора основан на том, что конденсатор заряжается до определенного напряжения через резистор. При достижении нужного напряжения открывается управляющий элемент. Конденсатор разряжается через другой резистор до напряжения, при котором управляющий элемент закрывается. Так напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону, затем убывает по экспоненциальному закону.

Подробнее о том, как происходит заряд и разряд конденсатора через резистор , можно прочитать по ссылке.

Вашему вниманию подборка материалов: Применение в релаксационных генераторах транзисторных аналогов динистора является типичным, так как для расчета и точной работы этого генератора необходимы строго определенные параметры динистора. Некоторые из этих параметров у промышленных динисторов либо имеют большой технологический разброс, либо вообще не нормируются. А сделать аналог со строго заданными параметрами не составляет труда. Схема генератора пилообразного напряжения Релаксационный генератор выглядит так: (A1) - релаксационный генератор на диодном тиристоре (динисторе), (A2) - в схеме A1 динистор заменен на транзисторный аналог. Рассчитать параметры транзисторного аналога в зависимости от используемых транзисторов и номиналов резисторов можно . Резистор R5 выбирается небольшим (20 - 30 Ом). Он предназначен для ограничения силы тока через динистор или транзисторы в момент их открытия. В расчетах влиянием этого резистора мы пренебрежем и будем считать, что на нем практически не падает напряжение, а конденсатор через него разряжается мгновенно. Параметры динистора, применяемые в расчетах, описаны в статье вольт-амперная характеристика динистора . [Минимальное напряжение на выходе, В ] = [Максимальное напряжение на выходе, В ] = Расчет сопротивления резистора R4 Для резистора R4 должны выполняться два соотношения: [Сопротивление R4, кОм ] > 1.1 * ([Напряжение питания, В ] - [Напряжение запирания динистора, В ]) / [Ток удержания, мА ] Это необходимо для того, чтобы динистор или его аналог надежно запирались, когда конденсатор разрядится. [Сопротивление R4, кОм ] Напряжение питания, В] - [Напряжение отпирания динистора, В ]) / (1.1 * [Ток отпирания, мА ]) Это необходимо для того, чтобы конденсатор мог зарядиться до напряжения, необходимого для отпирания динистора или его аналога. Коэффициент 1.1 выбран условно из желания получить 10% запас. Если два этих условия вступают в противоречие друг с другом, то это означает, что выбрано слишком низкое напряжение питания схемы для данного тиристора. Расчет частоты релаксационного генератора Приблизительно оценить частоту генератора можно из следующих соображений. Период колебаний равен сумме времени заряда конденсатора до напряжения отпирания динистора и времени разряда. Мы договорились считать, конденсатор разряжается мгновенно. Таким образом, нам нужно оценить время заряда. Второй вариант: R1 - 1 кОм, R2, R3 - 200 Ом, R4 - подстроечный 3 кОм (установлен на 2.5 кОм), Напряжение питания - 12 В. Транзисторы - КТ502 , КТ503 . Требования к нагрузке генератора Приведенные релаксационные генераторы могут работать с нагрузкой, имеющей высокое входное сопротивление, чтобы выходной ток не влиял на процесс зарядки и разрядки конденсатора. [Сопротивление нагрузки, кОм ] >> [Сопротивление резистора R4, кОм ]

В электронных схемах находят широкое распространение генераторы пилообразного напряжения (ГПН). Пилообразным называется напряжение, которое сравнительно медленно нарастает по линейному закону и затем быстро уменьшается до первоначального значения. Пилообразное напряжение получают рис. 32.1

при заряде конденсатора. Простейшая схема генератора пилообразного напряжения показана на рис. 32.1,а.

В исходном состоянии, когда входной сигнал отсутствует, транзистор VТ находится в открытом состоянии за счет положительного потенциала подаваемого на базу транзистора через резистор Rб. Напряжение на конденсаторе С равно напряжению между коллектором и эмиттером открытого транзистора. С поступлением на вход генератора импульса напряжения прямоугольной формы отрицательной полярности транзистор закрывается и конденсатор С начинает заряжаться от источника коллекторного питания через резистор Rк.После прекращения действия входного импульса транзистор VТ открывается и происходит относительно быстрый разряд конденсатора С через открытый транзистор. Длительность пилообразного импульса равна длительности входного прямоугольного им­пульса (рис. 32,6), а длительность обратного хода - времени разряда конденсатора через транзистор. Так как сопротивление резистора Rк значительно больше сопротивления открытого транзистора, то длительность импульса значительно больше длительности обратного хода. Таким образом выходное напряжение снимаемое с конденсатора имеет пилообразную форму

ГПН применяются для получения развертки элект­ронного луча в электронно-лучевых трубках осциллографических, телевизионных и радиолокационных устройств.

33. Общие сведения об электронных осциллографах.

Электронным осциллографом называют прибор, предназначенный для визуального наблюдения, ре­гистрации и измерения параметров электрических сигналов.

Широкое распространение электронных осцил­лографов обусловлено их универсальностью, нагляд­ностью изображения исследуемого процесса и хоро­шими измерительными параметрами.

Для того чтобы разобраться в работе электронного осциллографа, необходимо прежде всего изучить работу основного его узла - электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевыми трубками называют элект­ровакуумные приборы, в которых используется элект­ронный поток, сконцентрированный в форме луча пли пучка лучей.

Большинство электронно-лучевых трубок относится к группе электронно-графических электровакуумных приборов, предназначенных для получения на экране видимого изображения, светящегося под действием

--1500В Яркость фокус

Рис. 33.1

падающего потока электронов, или для регистрации получаемого изображения на светочувст­вительном слое. К ним относятся и осциллографи-ческие трубки.

Устройство и схема включения осциллографической электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с электроста­тическими фокусировкой и отклонением электронного луча показаны на рис. 33.1.

Электронно-лучевая трубка состоит из следующих основных частей:

1) стеклянного баллона, в котором создается вакуум:

2) электронного прожектора, создающего узкий электронный луч, направленный вдоль оси трубки;

3) отклоняющей системы, изменяющей направле­ние электронного луча;

4) экрана, светящегося под действием пучка элект­ронов.

Рассмотрим назначение и устройство отдельных элементов трубки.

В баллоне создается глубокий вакуум, необходи­мый для беспрепятственного пролета электронов. Электронный прожектор трубки состоит из катода, управляющего электрода и двух анодов и располага­ется в узкой удлиненной части баллона. Катод К изготовляется в виде небольшого никелевого ци­линдра, на торцевую часть которого наносится оксидный слой, испускающий при нагреве электроны. Катод заключен в управляющий электрод (модуля­тор) М также цилиндрической формы. В торце управляющего электрода имеется маленькое отверс­тие (диафрагма), через которое проходит электрон­ный луч. На управляющий электрод подается несколько десятков вольт отрицательного но отношению к катоду напряжения, с помощью которого регулируется яркость свечения пятна на экране трубки. Управляющий электрод действует подобно управляющей сетке электронной лампы. При некотором значении этого напряжения происходит запирание трубки, и светящееся пятно исчезает. Указанная регулировка выносится на переднюю па­нель осциллографа и снабжается надписью «Яр­кость».

Предварительная фокусировка электронного луча производится в пространстве между модулятором и первым анодом. Электрическое поле между этими электродами прижимает электроны к оси трубки и они сходятся в точку О на некотором расстоянии от управляющего электрода (рис. 33.2). Дальнейшая фо­кусировка луча выполняется системой двух анодов А 1 и А 2

Первый и второй аноды выполнены в виде открытых металлических цилиндров различных длин и диаметров, внутри которых на некотором расстоя­нии друг от друга расположены диафрагмы с небольшими отверстиями.

На аноды подается положительное ускоряющее напряжение (на первый

300-1000 В, на второй 1000-5000 В и более). Так как потенциал второго анода А 2 выше потенциала первого анода А 1 , то электрическое поле между ними будет направлено от второго анода к первому. Электроны, попавшие в такое электрическое поле, будут откло­няться им в направлении к оси трубки и получать ускорение в направлении движения к экрану. Таким образом, действие системы анодов эквивалентно действию оптической системы из собирательной и рассеиваю­щей линз. Поэтому фокусирующую систему анодов электронно-лучевой трубки иногда называют элект­ронно-статической линзой. Точная фокусировка луча производится изменением напряжения на первом аноде. Эта регулировка выносится на переднюю панель осциллографа и снабжается надписью «Фо­кус».

Сформированный электронный луч после второго анода попадает в пространство между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин Х 1 Х 2 и У 1 У 2 , называемых электростатической откло­няющей системой. Первая пара плас­тин Х 1 Х 2 , расположенных вертикально, вызывает отклонение луча в горизонтальном направлении. Пластины второй пары У 1 У 2 , расположенные гори­зонтально, вызывают отклонение луча в вертикаль­ном направлении. Когда к паре пластин подводится постоянное напряжение, то электронный луч отклоня­ется в сторону пластины, находящейся под положи­тельным потенциалом, что приводит к соответствую­щему перемещению светящегося пятна на экране.

Когда на пластины подается переменное напряже­ние, перемещение светящегося пятна по экрану образует светящиеся линии.

Экран Э электронно-лучевой трубки представляет собой стеклянную поверхность, покрытую с внутрен­ней стороны тонким слоем специального вещества (люминофора), способного светиться при бомбарди­ровке его электронами.

Для получения изображения на экране труб­ки исследуемое напряжение сигнала подают на вертикально отклоня­ющие пластины У 1 У 2 , а па пластины Х 1 Х 2 - пи­лообразное напряжение называемое напряже­нием развертки (рис. 33.3).

На участке АВ напряжение развертки линейно зависит от времени, и под действием этого напряжения световое пятно переме­щается по экрану трубки вдоль горизонтальной оси пропорционально времени. На участке ВС напряже­ние развертки резко падает, а световое пятно возвращается в исходное положение.

Если одновременно с напряжением развертки к пластинам У 1 У 2 подвести исследуемое синусоидаль­ное напряжение, то на экране трубки получится один период синусоиды (рис. 33.4).

Положения 0, 1, 2, ...светового пятна на экране трубки в соответствующие моменты времени опреде­ляются мгновенными значениями исследуемого и развертывающего напряжений.

Если период развертки Тр выбран кратным пе­риоду исследуемого напряжения, то осциллограммы, получаемые в последующие периоды, накладываются друг на друга и на экране наблюдается устойчивое и четкое изображение исследуемого процесса