Принцип генерирования линейно изменяющихся напряжений. Схемы глин.

Линейно изменяющиеся напряжения, т.е. напряжения изменяющиеся по линейному закону от времени, используют во многих устройствах электроники, применяющиеся в различных областях науки и техники. Обычно это импульсы одиночные или периодические, характеризующиеся следующими параметрами.

Т_пр - длительность прямого хода;

Т_обр –длительность обратного хода;

Т – период повторения;

U_m – размах;

U ₀ – начальный уровень;

ε – нелинейность или коэффициент нелинейности характеризует отклонение реального напряжения от прямолинейного. Напряжение линейно, если скорость его изменения в любой точке одинакова. Коэффициент нелинейности ε =  характеризует отступление от постоянной скорости;

ζ – коэффициент использования напряжения источника питания U _п.

                              ζ =  .

Для создания линейно возрастающего или пилообразного напряжения используется заряд- разряд конденсатора. Так как при этом напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно, используют малую часть периода, которая может считаться линейной. Вследствие этого и коэффициент использования напряжения мал. Из этих рассуждений становится ясно, что коэффициент использования напряжения и коэффициент нелинейности взаимосвязаны.

Ток заряда конденсатора С от источника питания с напряжением U _п зависит от сопротивления R ₁. Чем больше R ₁, тем дольше заряжается конденсатор (участок ab). В определенный момент (точка b на диаграмме) замыкается ключ S и конденсатор разряжается через сопротивление R ₂ (участок bc). Чем меньше R ₂, тем быстрее разряжается конденсатор. В качестве ключа могут быть использованы различные активные элементы—транзисторы, тиристоры. Разряд конденсатора может не доходить до нулевого напряжения, так как чем меньше напряжение на нём, тем медленнее он разряжается. Для создания пилообразного напряжения с быстрым спадом импульса берут R₁>>R₂. При этом ключ должен быть замкнут очень короткое время T _обр.

ГЛИН могут быть созданы на основе транзисторов, числовых и аналоговых микросхем. Простейшие ГЛИН могут быть разработаны в соответствии с изображенной выше структурной схемой. Работа генератора поясняется диаграммой.

При подаче на базу транзистора нулевого напряжения он закрыт. Конденсатор заряжается   током I_C, протекающим от источника питания через сопротивление R _К.. Напряжение U _вых на конденсаторе растет, ток заряда по мере заряда конденсатора убывает. Когда на вход подается положительный импульс, транзистор открывается. Сопротивление его близко к нулю. Конденсатор быстро разряжается через транзистор. С окончанием положительного импульса транзистор запирается, начинается новый цикл заряда конденсатора. На диаграмме условно не учтена нелинейность процессов заряда-разряда конденсатора.

Вместо транзистора можно использовать микросхему, например, инвертор. Когда на входе инвертора "0", конденсатор С заряжается через сопротивление R ₁. При подаче на вход короткого положительного импульса, на выходе инвертора "0", конденсатор разряжается через диод VD, который не пропускал ток при положительном напряжении на выходе инвертора.

В указанных схемах для создания удовлетворительной линейности необходимо использовать лишь начальную часть экспоненты, т.е. получится очень невысокий коэффициент использования напряжения. Логичным было бы пропорциональное усиление полученного напряжения. Это и делается с помощью ОУ. Однако при использовании ОУ применяют и ПОС, с помощью которых получают не только усиление, но и выравнивание экспоненциальной кривой.

В изображенном на рис. варианте напряжение конденсатора подается на неинвертирующий вход ОУ. В этом случае коэффициент усиления по напряжению

К _U = 1+

и U _вых = U_C (1+ ).

Через конденсатор С при закрытом транзисторе протекают два тока заряда: первый i ₁ -- от источника питания через сопротивление R_k, второй i ₂ - от U _вых через сопротивление R ₄.

i₁ = ;  i₂ = = .

i ₁ убываетпомерезарядаконденсатора. i ₂ по мере заряда конденсатора возрастает. Возрастание зависит от соотношения R ₃ и R ₂, которые можно подобрать так, чтобы зарядка происходила постоянным током и выходное напряжение обладало высокой линейностью.

Во многих случаях ГЛИН выполняются на основе интеграторов, так как при подаче постоянного напряжения на вход интегратора на выходе создается линейно возрастающее (или линейно падающее) напряжение. Интегратор необходимо дополнить устройством, возвращающим выходное напряжение к исходному при смене напряжения на входе.

 

44Компараторы напряжений без гистерезиса и компараторы с гистерезисом (триггеры Шмита)

Компараторы сравнивают два напряжения, одно из которых может быть опорным, т.е. таким относительно которого определяется расхождение. В качестве компараторов широко используются интегральные ОУ. Сравниваемые напряжения подаются на оба входа ОУ, на выходе которого вследствие очень большого коэффициента усиления создаются сигналы, приблизительно равные питающим напряжениям.

Компараторы напряжения без гистерезиса.

Эти компараторы были рассмотрены в разделе 8.3. К сказанному следует добавить обозначение компаратора в схемах. Если пользоваться двухполярными источниками питания, выходные напряжения будут соответствовать этим напряжениям. Можно использовать и однополярный источник питания (Е_П и 0). Тогда

выходное напряжение также будет однополярным.

Компараторы напряжения с гистерезисом (триггеры Шмиттта).

Триггеры Шмитта (ТШ) были рассмотрены в разделе 8.3.Здесь следует определить некоторые термины.

--Напряжение срабатывания (порог срабатывания) U _срб. Напряжение при котором происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе при прямом изменении входного напряжения.

--Напряжение отпускания U _отп. Напряжение при котором происходит скачкообразное изменение выходного напряжения при обратном изменеии входного напряжения.

--Зона гистерезиса (гистерезис) U _срб - U _отп.

ТШ могут быть инвертирующими и неинвертирующими. Это зависит от подключения входов ОУ. Инвертирующий ТШ обозначается кружком на выходе.

ТШ имеет множество применений. Одним их них является применение ТШ для преобразования синусоидального напряжения в импульсное. Промышленостью выпускаются микросхемы ТШ с постоянным порогом срабатывания.