Генератор напряжения трапецеидальной формы

В практике лабораторных исследований, в измери­тельной технике, автоматике и при телевизионных мето­дах исследования и контроля различных объектов часто возникает необходимость в формировании управляемого сигнала трапецеидальной формы. В известных схемах формирователей, работающих в режиме двустороннего ограничения треугольного напряжения, возникают опре­деленные трудности при управлении временными пара­метрами сигнала.

Описана схема генератора, вырабатывающего им­пульсы напряжения трапецеидальной формы с размахом, равным 10 В, в диапазоне низких и инфранизких частот. Нелинейность фронтов не хуже 0,01%. Возможна раз­дельная независимая регулировка длительностей поло­жительного, отрицательного фронтов и вершины трапе­цеидального импульса, а также генерирование колебаний треугольной формы. Генератор вырабатывает и колеба­ния прямоугольной формы, что позволяет использовать его для синхронизации различных устройств.

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 1. Эта схема разработана на базе достаточно из­вестной схемы генератора колебаний треугольной формы на диодных мостах и содержит интегратор, гистерези-сный компаратор, ждущий мультивибратор, четыре транзисторных ключа и два диодных моста.

Интегратор собран на операционном усилителе (ОУ) А2, охваченном емкостной обратной связью (конденса­тор С2). Как известно, при подаче на вход интегратора отрицательного или положительного питающих напря­жений на его выходе появляются соответственно линей­но нарастающее или линейно падающее напряжение. Если усилитель интегратора имеет бесконечно большое входное сопротивление, то при отключении его входа от питающих напряжений на его выходе будет сохранять­ся то напряжение, которое было в момент отключения. Это свойство интегратора использовано в схеме генерато­ра для получения импульсов напряжения трапецеидаль­ной формы.

Переключение питающих напряжений на входе ин­тегратора производится диодным мостом V8 — VII, управляемым гистерезисным компаратором, собранным на операционном усилителе А1, а их отключение — транзисторными ключами V12, V13, работающими в ин­версном режиме.

Работой ключей V12, V13 управляет ждущий муль» тивибратор, собранный на ОУ A3. Ждущий мультиви­братор запускается импульсами гистерезисного компара­тора через дифференцирующие цепочки C4R14 и C6R15. Цепь C5R20 является времязадающей. Благодаря ис­пользованию цепочки R19V17 (при R19<R20) время восстановления ждущего мультивибратора много меньше длительности выходного импульса.

Транзисторные ключи V7 и V18 выполняют вспомо­гательную функцию, инвертируя выходные напряжения микросхем А1 и A3.

Диодные мосты VI — V4, V8 — VII работают как токовые вентили. Когда напряжение ,на выходе опера­ционного усилителя А1 положительно, левые верхние и правые нижние по схеме диоды мостов закрыты и токи текут через правые верхние диоды. При изменении по­лярности выходного напряжения микросхемы А1 закры­ваются левые нижние и правые верхние диоды, а токи текут через правые нижние диоды.

Использование диодных мостов позволяет повысить стабильность как амплитуды, так и частоты колебаний трапецеидальной формы. При этом, чтобы получить на­илучшие результаты, все диоды в мостах должны быть одного типа, а их параметры идентичны. Кроме того, не­зависимая регулировка фронтов трапецеидального на­пряжения возможна благодаря разделению времязадаю-щих цепей интегратора R10C2 и R11C2 с помощью ди­одного моста V8 — VII.

На рис. 2 приведены диаграммы напряжений в раз­личных точках схемы. Диаграмма напряжения [7_а по­строена в предположении, что на всех диодах падение напряжения одинаково и равно 0,6 В, а транзисторы V12, V13 при насыщении «стягиваются» в точку.

Пусть в начальный момент (t = 0) на выходе компа­ратора отрицательное напряжение (U_а = — 1,2 В), тогда открыт правый нижний диод моста V8 — VII, вход 13 микросхемы А2 через резистор R11 оказывается подсоединенным к питающему напряжению — Е1 и на выхо­де схемы формируется положительный фронт трапеце­идального импульса Tф+, длительность которого опреде­ляется времязадающей цепью R11C2. При достижении выходным напряжением устройства U_Вых порогового уровня компаратора (t = t₁) на его выходе появляется положительное напряжение (U_a = +0,6 В); одновре­менно запускается ждущий мультивибратор, вырабаты­вающий отрицательный импульс (U_B), определяющий длительность вершины импульса трапецеидального на­пряжения Т_в. В течение времени Т_в транзисторы V12; V13 открыты и насыщены и вход интегрирующего уси­лителя отключен от питающих напряжений (падение напряжения на открытом транзисторе, включенном ин­версно, меньше падения напряжения на диоде, смещен­ном в прямом направлении, поэтому правые диоды моста V8 — VII закрыты).

Рис. 1. Принципиальная схема генератора

По окончании импульса U_B оказы­вается открытым правый верхний диод моста V8 — VII, так как на выходе компаратора присутствует положи­тельное напряжение (U_а = +1,2 В); вход 13 микросхе­мы А2 через резистор R10 подсоединен к питающему напряжению +Е1, и на выходе схемы формируется от­рицательный фронт трапецеидального импульса Tф — , длительность которого определяется времязадающей цепью R10C2. Ждущий мультивибратор запускается каждый раз при переходе выходным напряжением ком­паратора (Ua) нулевого уровня.

Как видно из рис. 2, генератор помимо трапецеидаль­ных колебаний вырабатывает также и колебания пря­моугольной формы Uб, U_B, U_T, что позволяет легко син­хронизировать от него различные устройства.

Длительность фронтов, вершины трапецеидального импульса и период колебаний можно найти из выраже­ний

где Гф — , Тф₊, Т_в, Т_п — временные параметры выходного напряжения;

Uм — размах выходного напряжения;

±Е1 — питающее напряжение;

R10, R11, С2 — времязадающие элементы интегра­тора;

R20, С5 — времяза­дающие элементы жду­щего мультивибратора. Из выражений (1) — (3) следует, что дли­тельности Гф — , Гф+ и Т_в можно легко регулиро­вать изменением со­противлений резисто­ров RIO, R11 и R20 со­ответственно. Мецяя емкость конденсатора С2, можно одновременно изменять длительности Гф — и Гф+. При изменении номинального сопротивления резис­тора R8 меняются длительности фронтов, однако при этом меняется и размах выходного напряжения U_u.

При номиналах, указанных на схеме, U_M = 10 В, 7V = Г_ф+ = 1 с, Г_в = 1,3 с.

Рис. 2. Эпюры напряжений в различ­ных точках генератора

Интегрирующий усилитель А2 применен серии К284УД1 (буквенное обозначение может быть любым). Для этого усилителя на частоте 1000 Гц модуль входного сопротивления 5 МОм, коэффициент усиления 3= 20 000. Так как во входном каскаде операционного усилителя Л2 стоят полевые транзисторы, то возможна генерация тра­пецеидальных колебаний низкой и инфранизкой частот с вершиной, практически не имеющей спада. Микросхему К284УД1 можно заменить на К140УД8. В этом случае отпадает необходимость в источнике питания Е2 = = ±9 В, поскольку эта микросхема может питаться от источника ±12 В.

Рис. 3. Эпюры напряже­ний (на выходе генера­тора — колебания тре­угольной формы)

Следует отметить, что фронты трапецеидального на­пряжения, вырабатываемого генератором, отличаются высокой линейностью. Коэффициент нелинейности фрон­тов в данном случае может быть определен по формуле

где U_M — размах выходного напряжения; El — питающее напряжение;

Rbx — входное сопротивление интегрирующего усили­теля; Ко — коэффициент усиления интегрирующего усилилителя;

R — сопротивление резистора в интегрирующей це­пи (резисторы R10, Rll).

При U_M = 10 В, El = 12 В, Rвх = 5 МОм, К_о = 20 000, R = 5,1 МОм нелинейность не превышает 0,01%.

Для повышения точности интегрирования и исклю­чения спада вершины трапецеидального импульса жела­тельно использовать конденсатор С2 фторопластовый или поликарбонатный, а также применять кремниевые диоды Д220, Д223, КД503.

Если с помощью - дифференцирующей цепочки, ана­логичной дифференцирующим цепочкам R14C4 и R15C6, на вход ждущего мультивибратора A3 подавать внешний импульсный сигнал, то в выходном напряжении U_ВЫХ (см. рис. 2) можно в любой момент формировать гори­зонтальные участки («полочки»), начало которых будет соответствовать отрицательным перепадам внешнего сиг­нала. Длительность «полочек» будет определяться выра­жением (3).

Если от диагонали моста V8 — VII отсоединить кол­лекторы транзисторов V12 и V13, генератор будет выра­батывать колебания треугольной формы с размахом U_M = 10 В. Диаграммы напряжений для этого случая приведены на рис. 3. Длительности фронтов треугольных колебаний можно найти из выражений (1), (2).

Правильно собранное устройство не требует наладки и начинает работать сразу же после подключения пита­ющих напряжений.