Лекция 43. Генераторы линейно изменяющего напряжения.

1. Импульсы пилообразного напряжения и их параметры.

Пилообразный импульс состоит из двух фронтов. Передний фронт (прямой или рабочий ход) является в первом приближении линейно изменяющимся напряжением или током, а задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному  закону (рис.16.1).

                          

        Рис. 16.1. Импульс пилообразного напряжения.

Пилообразный импульс напряжения характеризуется начальным уровнем , амплитудой , длительностями прямого хода  и обратного хода , а также средней скоростью К нарастания переднего фронта. Отклонение этого фронта от строго линейного оценивается коэффициентом нелинейности:

                                               γ =                                         (16.1)

где - модуль скорости в начале фронта;

    - модуль скорости в конце фронта.

Линейно изменяющееся напряжение используется для развёртки электронного луча в электронно-лучевых трубках с электростатическим отклонением луча (например, в осциллографах), в устройствах задержки импульсов на калиброванное время, в преобразователях аналог – код и т.д.

Линейно изменяющуюся функцию можно представить как результат интегрирования во времени постоянной величины:

                                               dt = K t                                             (16.2)

Генератор линейно изменяющегося напряжения содержит конденсатор, на котором формируется линейно изменяющееся напряжение. Различа-ются такие генераторы способом стабилизации тока заряда (разряда) конденсатора, благодаря которому повышается линейность формируемо-го напряжения. При невысоких требованиях к линейности применяют интегратор в виде RC-цепи. При повышенных требованиях используют, в частности, интегратор на операционном усилителе.

Так как скорость заряда (разряда) конденсатора пропорциональна току через него, то можно записать формулу (16.1) в следующем виде:

                                                   γ =                                       (16.3)

где   и  – токи конденсатора соответственно в начале и в конце формирования линейно изменяющегося напряжения.

Важным параметром генератора линейно изменяющегося напряжения является коэффициент использования напряжения источника питания, показывающий на сколько амплитуда пилообразного импульса меньше предельно возможной:

                                                  ε =                                 (16.4)

где Е – напряжение источника питания;

   – амплитуда линейно нарастающего напряжения;

   - начальный уровень, от которого начинается нарастание напряжения.

 

      2. Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

При невысоких требованиях к линейности напряжения специальных мер для стабилизации тока заряда конденсатора не применяют, имея в виду, что в начале заряда он меняется мало.

За время t = 3τ (τ – постоянная времени заряда конденсатора) конденсатор заряжается до напряжения U = 0,95 Е. Если выбрать τ много больше требуемой длительности прямого хода «пилы» (), то за время конденсатор успеет зарядиться до напряжения , сотавляющего незначительную часть Е, при этом ток заряда определяется по формуле:

                                    =  =                                   (16.5)

и изменяется незначительно.

Схема генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) приведена на рис. 16.2 (а).

На схеме видно, что конденсатор С2 заряжается через R2 от источника до максимального выходного напряжения с относительно большой постоянной времени θ = R2 С2. При открытом транзисторе конденсатор С2 разряжен практически до нуля (через открытый транзистор). После запирания транзистора конденсатор  С2 начинает медленно заряжаться через R2. На начальном участке напряжение на обкладках конденсатора С2 нарастает по линейному закону, а по мере заряда С2 рост напряжения замедляется и больше соответствует нелинейной, экспоненциальной зависимости от времени.

   Рис. 16.2. Схема ГЛИН на транзисторе (а), график определения коэффициента нелинейности (б).

Если на вход формирователя поступает последовательность импульсов положительной полярности с большой скважностью, то каждый импульс будет открывать транзистор и разряжать конденсатор С2, формируя обратный ход. В промежутках между импульсами будет формироваться линейно нарастающее напряжение. Для обеспечения линейной зависимости нарастания напряжения τ заряда должна быть большой. Для этого выбирают электролитический конденсатор большой ёмкости (С=10÷20 мкФ) и резистор с сопротивлением 5÷10 кОм.

Нелинейность изменения напряжения является главным недостатком подобных генераторов. Для борьбы с нелинейностью применяют различ-ные методы. В частности, используют ограниченный начальный участок времени заряда конденсатора, нелинейное усиление сигнала или электронный интегратор на основе операционного усилителя. В некоторых случаях, когда не предъявляются высокие требования к линейности, используют простые схемы ГЛИН (рис.16.3).

В исходном состоянии транзистор отперт и насыщен. Выходное напряжение близко к нулю. Под воздействием положительного входного импульса транзистор запирается и начинается заряд конденсатора С через резистор . Запирание транзистора происходит не  в момент подачи входного импульса (момент ), а с некоторой задержкой, зависящей от степени насыщения транзистора и амплитуды входного сигнала (интервал времени  -  ). После окончания входного импульса транзистор отпирается и происходит быстрый разряд конденсатора.

 

Рис. 16.3. ГЛИН с зарядным сопротивлением на транзисторе:

                 

Такие схемы просты, что и обуславливает широкое их применение в технике.