Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о мультивибраторе, который является генератором прямоугольных импульсов. Кроме прямоугольных импульсов в радиоэлектронике находят широкое применение импульсы с линейно-изменяющейся формой: треугольной и пилообразной. Они применяются в схемах ШИМ – контроллеров (широтно – импульсная модуляция сигнала), различных времязадающий схемах (таймерах) и так далее.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения

Для понимания того как происходит формирование линейно-нарастающего напряжения вспомним как протекает переходный процесс в интегрирующих RC-цепях. Для этого изобразим схему заряда конденсатора некоторым током I

График заряда конденсатора.

Заряд Q конденсатора постоянным током I происходит за время t

В тоже время напряжение U_С на конденсаторе емкостью С определяется величиной заряда Q накопленного в конденсаторе

Таким образом, напряжение U_С на конденсаторе емкостью С, который заряжается током I будет определяться временем t

Так как значение емкости и тока постоянны, то напряжение, до которого зарядится конденсатор пропорционально времени, прошедшего с момента замыкания ключа. Таким образом, напряжение на конденсаторе U_С фактически является суммой напряжений за весь период t. Такое суммирование называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором.

Интегратор на ОУ я рассматривал в одной из предыдущих статей и показан на рисунке ниже

Схема интегратора на операционном усилителе.

В данной схеме зарядный ток I конденсатора С1 определяется входным напряжением U_BX и резистором R1, тогда выходное напряжение будет вычисляться по следующей формуле

Знак «–» в выражении показывает то, что входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ.

Описанный здесь интегратор, имеющий на выходе линейно-изменяющуюся форму напряжения, является основой для построения генераторов треугольного и пилообразного напряжений.

Генератор напряжения треугольной формы

Наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта. Несмотря на свою простоту, схема позволяет получить хорошие треугольные импульсы.

Генератор напряжения треугольной формы.

Данный генератор треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта на ОУ DA1 и резисторах R1, R2 и R3, а также интегратора на ОУ DA2 и резисторах R4, R5 и конденсатора С1. Треугольные импульсы снимают с вывода «U_{ВЫХ 2}», кроме того с вывода «U_{ВЫХ 1}» можно снимать прямоугольные импульсы. Резисторы R3 и R5 служат для компенсации напряжения смещения ОУ и в случае, когда нет необходимости в сильной симметрии импульсов их можно заменить перемычками.

Для понимания принципа работы генератора треугольных импульсов рассмотрим график напряжений на его выводах U_{ВЫХ 1} и U_{ВЫХ 2}.

Графики выходных напряжений генератора треугольных импульсов: на выходе триггера Шмитта (верхний) и на выходе интегратора (нижний).

Допустим после подачи напряжения питания в схему на выходе триггера Шмитта (DA1) установилось напряжение положительного насыщения ОУ U_НАС+, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться, а на выходе интегратора (DA2) напряжение начинает соответственно линейно падать. Так как выход интегратора и вход триггера объединены, то при достижении линейно-падающего напряжения уровня нижнего напряжения переключения триггера U_НП, то произойдёт переброс напряжения на его выходе до напряжения отрицательного насыщения ОУ U_НАС-, а коденсатор С1 начнёт разряжаться. По мере разряда конденсатора напряжение на выходе интегратора начнёт линейно расти до уровня напряжения верхнего переключения триггера Шмитта U_ВП, после достижения, которого выход триггера переключится до уровня напряжение положительного насыщения ОУ U_НАС+ и цикл зарядки – разрядки конденсатора С1, а следовательно и треугольного напряжения повторится.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что амплитуда выходного треугольного напряжения, которое можно снимать с выхода ОУ DA2 (U_{ВЫХ 2}) будет равна величине гистерезиса триггера Шмитта

Таким образом регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения.

Длительность треугольно импульса состоит из двух периодов: периода нарастания длительностью t_Н и периода спада напряжения длительностью t_С. Длительность этих периодов определяется следующими выражениями

Как известно пороговые уровни триггера Шмитта при опорном напряжении равном нулю (U_ОП = 0 В) определяются следующими выражениями

Тогда после несложных преобразований и замен получим выражение для длительности и частоты треугольного напряжения

Изменение частоты следования треугольных импульсов осуществляется с помощью резистора R4 (точная регулировка) и конденсатора C1 (грубо), хотя длительность импульсов также зависит от величины сопротивления резистора R4.

Стоит заметить, что максимальная частота следования импульсов ограничена параметрами ОУ, в частности скоростью нарастания выходного напряжения ОУ DA2 (интегратор) и максимальным выходным током ОУ DA1 (триггер Шмитта).

Генератор напряжения пилообразной формы

Генератор треугольного напряжения, выполненный по предыдущей схеме, легко преобразуется в генератор пилообразного напряжения. Для этого достаточно обеспечить разную длительность заряда и разряда конденсатора в схеме интегратора. Такие изменения показаны на рисунке ниже

Генератор колебаний пилообразной формы.

Как нетрудно заметить внесённые изменения касаются цепи заряда-разряда конденсатора С1 в интеграторе. Диоды VD1 и VD2 позволяют выполнять заряд-разряд конденсатора разными токами. При изображённой на схеме полярности включения диодов длительность разряда конденсатора С1, а следовательно и длительность линейно-возрастающего напряжения определяется величиной сопротивления резистора R4’, а длительность заряда С1 и линейно падающего сигнала на выходе интегратора – сопротивлением R4” по следующим формулам

Все остальные аспекты работы схемы аналогичны предыдущей. Так как схема не является симметричной то резистор R5 можно удалить. Частота выходного пилообразного напряжения будет определяться суммой резисторов R4’ и R4”. Стабильность частоты в данной схеме будет ограниченна температурной нестабильностью диодов VD1 и VD2