4.2. Генератор пилообразных импульсов.

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяются для развёртки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройствах, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во времени и т.п.

ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме. В ждущем режиме период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развёртки в осциллографах, а ждущий режим – для получения ждущей развёртки.

Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определённого времени, растает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим или линейно падающим. Оно характеризуется длительностью прямого или рабочего хода в течение которого напряжение изменяется линейно; длительностью обратного хода _, в течение которого напряжение обычно изменяется по экспоненте, и амплитудой .

Ниже мы ограничимся рассмотрением случая генерации убывающего по времени пилообразного напряжения. Принцип получения такого напряжения заключается в медленном разряде конденсатора через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его заряде через малое сопротивлении во время обратного хода. В упрощённом виде это показано на рис.19

Рис.19.

При замкнутом ключе К конденсатор С2 быстро заряжается через малое сопротивление R3, а при разомкнутом ключе К медленно разряжается через большое сопротивление R.

Такая схема не позволяет получить падающее напряжение высокой линейности, поскольку уменьшающееся напряжение на емкости уменьшает разрядный ток. Для получения линейного напряжения конденсатор С2 необходимо разряжать постоянным током, а не через постоянное сопротивление.

Одна из возможных схем ГЛИН представлена на рис 20, а диаграммы напряжений в ряде точек даны на рис.21.

Рис.20

Рис.2.

Рис.21.

Пилообразное напряжение формируется на конденсаторе С2, (который принято называть хронирующим), путём его быстрого заряда через резистор R3 и транзистор VT2, (он играет роль ключа К на рис.19), и медленного линейного разряда через токостабилизирующий двухполюсник на транзисторе VT3, (аналогом которого выступает сопротивление R на рис.19).

Транзистор VT1 управляет переключением режима «заряд-разряд» конденсатора С2. Транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1, R2, R3, конденсаторы С1, С2 образуют несимметричный мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме.

При протекании начального зарядного тока конденсатора С2 на сопротивлении R3 возникает импульс отрицательного напряжения. Этот импульс через ёмкость С1 подаётся на базу VT1 и запирает его. В результате возрастает положительное напряжение на коллекторе VT1 и, соответственно, на базе VT2, что полностью открывает его. Таким образом, С2 быстро заряжается через низкоомный резистор R3 и полностью открытый (насыщенный) транзистор VT2, почти до напряжения . Так на конденсаторе С2 формируется обратный ход импульса.

После окончания зарядки С2 зарядный ток по цепи «R3–VT2–С2» прекращается и запирающий импульс на базе VT1 спадает до 0, и далее VT1 отпирается током через R2. Из-за этого напряжение на коллекторе VT1 и, соответственно, на базе VT2 спадают до 0. При этом VT2 запирается большим напряжением на С2 т.е. на эмиттере VT2, и с этого момента начинается медленный разряд ёмкости С2 через VT3 почти до нулевого уровня напряжения. Напряжение на конденсаторе С2 в это время представляет собой прямой ход пилообразного импульса.

В начале проектирования при выборе типа транзистора следует обратить внимание на появление достаточно большого напряжения между эмиттером и базой VT1 и VT2, достигающее . Большинство транзисторов допускают не более 5 В, и только 5-10 типов транзисторов позволяют держать это напряжение на уровне (20-50) В.

Проектирование начинаем с выбора R3 по допустимому коллекторному току транзистора VT2 — .

.

Для того, чтобы транзистор VT2 был полностью включён и насыщен требуется:

,

где — коэффициент усиления по току транзистора VT2.

Рассматривая схему рис.20 видим, что базовая цепь VT2 и коллекторная цепь VT1 связаны гальванически, следовательно, для цепи базы VT2 можно записать:

.

Если использовать связь с и , то можно записать, что , тогда

.

Резистор R2 выбираем из условия насыщения VT1 при окончания запирающего импульса, который снимается с резистора R3 и через конденсатор С1 подаётся на базу этого транзистора. Для этого требуется, чтобы

.

Сделаем некоторые пояснения. Очевидно, что , следовательно, . С другой стороны, и , и тогда можно записать . Следовательно, для быстрого и надёжного запирания транзистора VT1 надо, чтобы .

Кроме того, для надёжного запирания VT1 следует выбирать постоянную времени на порядок большей, чем , то есть .

В результате заряда конденсатора С2 во время обратного хода он приобретает заряд , где — размах пилообразного напряжения. Можно принять, что . С другой стороны, можно записать, что . Тогда

.

Стабилизированный разрядный ток через VT3 обычно выбирают равным от нескольких десятых долей миллиампера до нескольких миллиампер.

Длительность обратного хода , как правило, удовлетворяет соотношению:

.

Опрокидывание мультивибратора происходит при окончании разряда С2, когда импульс напряжения от R3 перестаёт запирать VT1. В противоположном направлении мультивибратор опрокидывается при окончании зарядки С2, когда напряжение на эмиттере VT2 становится меньше, чем на коллектореVT1 и, соответственно, на базе VT2. Из-за падения напряжения на транзисторе VT3 и R6 потенциал эмиттера VT2 не может снизиться до 0. Поэтому полезно включить кремниевый диод D1, как показано на рис.20, или небольшой резистор.

Использование VT3 в качестве токоограничивающего двухполюсника основывается на том факте, что ток коллектора (ток через транзистор) очень слабо зависит от напряжения, приложенного к транзистору , при постоянном токе базы . Что это так, достаточно вспомнить коллекторные характеристики транзистора:

.

Постоянство тока базы транзистора VT3 обеспечивается в нашем случае подачей постоянного напряжения на базу VT3 с резистора R5. Кроме того, сопротивление R6 является отрицательной обратной связи для транзистора VT3. Это также способствует стабилизации разрядного тока конденсатора С2 через цепь «транзистор VT3–R6».

Помимо этой схемы постоянный разрядный ток, не зависящий от величины напряжения на конденсаторе С2, может обеспечить «токовое зеркало», схема которого помещена на рис.22. Разрядный ток через VT3 повторяет ток управления , протекающий через VT4, который регулируется резистором R8. Должно соблюдаться соотношение:

.

Если разработчик решит использовать схему «токового зеркала», то следует иметь в виду, что она требует два дополнительных элемента — транзистор VT4 и резистор R7.

Рис.22.

Генераторы импульсов напряжения на логических элементах.

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой обработки информации в устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах и, главное, — в вычислительных машинах. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица). Логическими преобразованиями двоичных сигналов занимается специальный раздел математики — Булева алгебра (по имени английского математика Джорджа Буля). Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции, выполняемые элементами: ИЛИ (дизъюнкция), И (конъюнкция), НЕ (инверсия). Условные обозначения этих элементов показаны на рис. 23. Там же приведены простейшие электрические цепи, выполняющие эти операции, но более привычные для электриков-сильноточников.

Рис.23.

Буквами обозначены сигналы входных цепей, а буквой — выходные сигналы.

На рис. 23,а и 23,г показан элемент логического сложения — элемент ИЛИ, дающий на выходе «1», если хотя бы на один из нескольких входов подана «1». На рис. 23,г показана схема элемента, где при включении одного или нескольких из параллельных выключателей SA загорается лампочка EL, сигнализирующая «1».

На рис. 23,б и 23,д показан элемент логического умножения, дающий на выходе «1», если на все входы подана «1». На рис. 23,д — лампочка EL загорится только при включении всех последовательных выключателей SA.

На рис. 23,в и 23,е показан элемент логического отрицания НЕ, дающий на выходе «0», если на его входе «1», и, наоборот, дающий на выходе «1», если на его входе «0». На рис. 23,е — лампочка EL подключена к источнику «1» ( ) через нормально замкнутые контакт-реле К1.1 и горит. При подаче на вход, то есть на катушку реле — через выключатель SA напряжения «1», реле К1 отключает нормально-замкнутый контакт К1.1, и лампа погаснет.

В настоящее время логические элементы широко используются для построения схем генераторов импульсных напряжений. Ниже кратко рассмотрены в виде примеров схемы мультивибраторов, реализованных с использованием различных логических элементов.

Для мультивибраторов, в частности, можно использовать элементы НЕ, принципиальная схема которых показана на рис. 24,а. На рис. 25 приведён пример исполнения мультивибратора на интегральной микросхеме.

Рис.24.

Рис.25.

Можно применять и более сложные, например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ схемы. Следует иметь в виду, что в одном корпусе микросхемы помещается несколько логических элементов, например, шесть элементов НЕ.

На рис. 26 показана схема мультивибратора на двух элементах НЕ и временные диаграммы входных и выходных напряжений. На этом рисунке логические элементы НЕ изображены в виде квадратиков DD1 и DD2, которые выполняют операции инвертирования.

Рис.26а.

Рис.26,б.

На них показаны: «1» — , «0» — , — это зона на характеристике вход-выход,( ХВВ), где элемент имеет наибольший коэффициент усиления (рис. 26,б). Напряжение получают как падение напряжения на резисторах R1, R2 от тока, вытекающего из эмиттеров VT1 (рис.24,а), приводимого в справочниках.

На подходе к точке А1 (рис.25,б) , и поэтому . В момент (точка А1) экспонента пересекает уровень , мультивибратор опрокидывается, и . Аналогичный процесс происходит в точке А2, когда мультивибратор снова опрокидывается, и напряжение поднимается от до , а на выходе 1 напряжение уменьшается до .

Таким образом, напряжение на входах логических элементов управляет работой генератора. Это напряжение создают конденсаторы С1 и С2, которые быстро заряжаются по цепи: ВЫХОД1-С2-ВХОД DD2, либо: ВЫХОД2-С1-ВХОД DD1, а затем С2 разряжается через резистор R2, а С1 — через R1 по экспоненте

.

Опрокидывание происходит при . Отсюда находим длительность одного и другого импульсов и , а затем и период колебаний .

.