Генератор пилообразного напряжения для варикапов.

При работе с высокочастотным генератором, перестраеваемым варикапом, потребовалось изготовить для него управляющий генератор пилообразного напряжения. Схем генераторов "пилы" существует великое множество, но ни одна из найденных не подошла, т.к. для управления варикапом требовался размах выходного напряжения в пределах 0 - 40В при питании от 5В. В результате раздумий получилась вот такая схема.

Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяестся резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел). Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится... микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а неинвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0. Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхро-импульса на выводе GP2 амплитудой 5В. Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и может изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 мГц. При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К - 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.
Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В. Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.
Генератор собран на плате размером 32х36 мм. Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы. При сборке следует в первую очередь установить микроконтроллер DD1. Затем к проводникам платы временно подпаивают провода от разъема программатора и загружают прилагаемую программу. Отладка программы производилась в среде MPLAB, для загрузки использовался программатор ICD2.

Хотя описанное устройство и решило поставленную задачу и поныне успешно работает в составе свип-генератора, для расширения его возможностей приведенная схема может рассматриваться скорее как идея. Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала. При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В (что было одним из требований к устройству). Для термостабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напяжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ - генератор линейно изменяющегося (тока), электронное устройство, формирующее периодич. напряжения (тока) пилообразной формы. Осн. назначение Г. п. н.- управление временной развёрткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. Г. п. н. применяют также в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов. Для получения пилообразного напряжения используют процесс (разряда) конденсатора в цепи с большой постоянной времени. Простейший Г. п. н. (рис. 1, а) состоит из интегрирующей цепи RC и транзистора, выполняющего функции ключа, управляемого периодич. импульсами. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор - эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 1, б). При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением - Е к - прямой (рабочий) ход. Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С , изменяется по закону . По окон чании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер - коллектор. Осн. характеристики Г. п. н.: амплитуда пилообразного напряжения , коэф. нелинейности и коэф. использования напряжения источника питания. При в данной схеме

Длительность прямого хода T р и частота пилообразного напряжения определяются длительностью и частотой коммутирующих импульсов.

Недостатком простейшего Г. п. н. является малый k E при малом. Требуемые значения е лежат в пределах 0,0140,1, причём наименьшие значения относятся к устройствам сравнения и задержки. Нелинейность пилообразного напряжения во время прямого хода возникает из-за уменьшения зарядного тока вследствие уменьшения разности напряжений . Приблизительного постоянства зарядного тока добиваются включением в цепь заряда нелинейного токостабилизирующего двухполюсника (содержащего транзистор или электронную лампу). В таких Г. п. н. и . В Г. п. н. с положит. обратной связью по напряжению выходное пилообразное напряжение подаётся в зарядную цепь в качестве компенсирующей эдс. При этом зарядный ток почти постоянен,, что обеспечивает значения 1 и =0,0140,02. Г. п. н. используют для развёртки в электронно-лучевых трубках с эл--магн. отклонением луча. Чтобы получить линейное отклонение, необходимо линейное изменение тока в отклоняющих катушках. Для упрощённой эквивалентной схемы катушки (рис. 2, а) условие линейности тока выполняется при подаче на зажимы катушки трапецеидального напряжения. Такое трапецеидальное напряжение (рис. 2, б )можно получить в Г. п. н. при включении в зарядную цепь дополнит. сопротивления R д (показано на рис. 1, а пунктиром). Отклоняющие катушки потребляют большие токи, поэтому генератор трапецеидального напряжения дополняют усилителем мощности.

Принцип работы релаксационного генератора основан на том, что конденсатор заряжается до определенного напряжения через резистор. При достижении нужного напряжения открывается управляющий элемент. Конденсатор разряжается через другой резистор до напряжения, при котором управляющий элемент закрывается. Так напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону, затем убывает по экспоненциальному закону.

Подробнее о том, как происходит заряд и разряд конденсатора через резистор , можно прочитать по ссылке.

Вашему вниманию подборка материалов: Применение в релаксационных генераторах транзисторных аналогов динистора является типичным, так как для расчета и точной работы этого генератора необходимы строго определенные параметры динистора. Некоторые из этих параметров у промышленных динисторов либо имеют большой технологический разброс, либо вообще не нормируются. А сделать аналог со строго заданными параметрами не составляет труда. Схема генератора пилообразного напряжения Релаксационный генератор выглядит так: (A1) - релаксационный генератор на диодном тиристоре (динисторе), (A2) - в схеме A1 динистор заменен на транзисторный аналог. Рассчитать параметры транзисторного аналога в зависимости от используемых транзисторов и номиналов резисторов можно . Резистор R5 выбирается небольшим (20 - 30 Ом). Он предназначен для ограничения силы тока через динистор или транзисторы в момент их открытия. В расчетах влиянием этого резистора мы пренебрежем и будем считать, что на нем практически не падает напряжение, а конденсатор через него разряжается мгновенно. Параметры динистора, применяемые в расчетах, описаны в статье вольт-амперная характеристика динистора . [Минимальное напряжение на выходе, В ] = [Максимальное напряжение на выходе, В ] = Расчет сопротивления резистора R4 Для резистора R4 должны выполняться два соотношения: [Сопротивление R4, кОм ] > 1.1 * ([Напряжение питания, В ] - [Напряжение запирания динистора, В ]) / [Ток удержания, мА ] Это необходимо для того, чтобы динистор или его аналог надежно запирались, когда конденсатор разрядится. [Сопротивление R4, кОм ] Напряжение питания, В] - [Напряжение отпирания динистора, В ]) / (1.1 * [Ток отпирания, мА ]) Это необходимо для того, чтобы конденсатор мог зарядиться до напряжения, необходимого для отпирания динистора или его аналога. Коэффициент 1.1 выбран условно из желания получить 10% запас. Если два этих условия вступают в противоречие друг с другом, то это означает, что выбрано слишком низкое напряжение питания схемы для данного тиристора. Расчет частоты релаксационного генератора Приблизительно оценить частоту генератора можно из следующих соображений. Период колебаний равен сумме времени заряда конденсатора до напряжения отпирания динистора и времени разряда. Мы договорились считать, конденсатор разряжается мгновенно. Таким образом, нам нужно оценить время заряда. Второй вариант: R1 - 1 кОм, R2, R3 - 200 Ом, R4 - подстроечный 3 кОм (установлен на 2.5 кОм), Напряжение питания - 12 В. Транзисторы - КТ502 , КТ503 . Требования к нагрузке генератора Приведенные релаксационные генераторы могут работать с нагрузкой, имеющей высокое входное сопротивление, чтобы выходной ток не влиял на процесс зарядки и разрядки конденсатора. [Сопротивление нагрузки, кОм ] >> [Сопротивление резистора R4, кОм ]

Тема: Генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока.

Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (ГПИ).

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Генераторы линейно изменяющегося тока.

Литература:

Брамер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа,1985. (220 -237).

Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 249-261,267-271.

1. Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (гпи).

Напряжением пилообразной формы называется такое напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется по линейному закону (возрастает или убывает), а затем возвращается к исходному уровню.

Различают:

линейно-возрастающее напряжение;

линейно-падающее напряжение.

Генератор пилообразных импульсов - устройство, формирующее последовательность пилообразных импульсов.

Назначение генераторов пилообразных импульсов.

Предназначены для получения напряжения и тока, изменяющегося во времени по линейному закону.

Классификация генераторов пилообразных импульсов:

По элементной базе:

на транзисторах;

на лампах;

на интегральных микросхемах (в частности, на ОУ);

По назначению:

генераторы пилообразного напряжения (ГПН) (другое название - генераторы линейно изменяющегося напряжения - ГЛИН);

генераторы пилообразного тока (ГПТ) (другое название - генераторы линейно изменяющегося тока - ГЛИТ);

По способу включения коммутирующего элемента:

последовательная схема;

параллельная схема;

По способу повышения линейности формируемого напряжения:

с токостабилизирующим элементом;

компенсационного типа.

Устройство генераторов пилообразных импульсов:

В основе построения лежит электронный ключ, коммутирующий конденса­тор с заряда на разряд.

Принцип действия генераторов пилообразных импульсов.

Т.о., принцип получения возрастающего или падающего напряжения объясняется процессом заряда и разряда конденсатора (интегрирующего цепь). Но, т.к. поступление импульсов на интегрирующую цепь необходимо коммутировать, ис­пользуется транзисторный ключ .

Простейшие схемы генераторов пилообразных импульсов и их функционирование.

Схематично функционирование ГПИ выглядит следующим обра­зом:

Параллельная схема:

При размыкании электронного ключа конденсатор медленно, через сопротивление R заряжается до величины Е, формируя при этом пило­образный импульс. При замыкании электронного ключа конденсатор быстро разряжается через него.

Выходной импульс имеет следующую форму:

При смене полярности источника питания Е форма выходного сигнала будет симметрична относительно оси времени.

Последовательная схема:

При замыкании электронного ключа конденсатор быстро заряжается до величины источника питания Е, а при размыкании - разряжается через сопротивление R, формируя при этом линейно падающее напряжение пилообразной формы, которое имеет вид:

При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения U вых (t) изменится на линейно возрастающее напряжение.

Таким образом, видно (можно отметить как один из главных недостатков), что чем боль­ше амплитуда напряжения на конденсаторе, тем больше нелинейность импульса. Т.е. необходимо формиро­вать выходной импульс на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.

Если выходные колебания генератора имеют форму, отличную от синусоиды, то генератор называется генератором несинусоидальных колебаний . Наиболее часто используются генераторы прямоугольных колебаний. Соответствующие генераторы получили название релаксаторов .

Наиболее важным классом релаксационных генераторов являются мультивибраторы. Мультивибраторы делятся на следующие основные группы:

Астабильные мультивибраторы (АМВ), которые не имеют ни одного устойчивого состояния;

Моностабильные мультивибраторы (ММВ), которые имеют одно устойчивое состояние;

Бистабильные мультивибраторы (БМВ), имеющие два устойчивых состояния.

Каждый из мультивибраторов можно представить, как двухкаскадный усилитель, выход которого соединяется с входом (рис.3.2).

Рис.3.2. Двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью.

(Видом сопротивлений Z

св 1 и Zсв 2 определяется класс мультивибратора.)

Обзор мультивибраторов.

Астабильный мультивибратор. Если Zсв 1 и Zсв 2 – конденсаторы, а E Б = 0, то мы получим астабильный мультивибратор. Так как связь между каскадами осуществляется только по переменному току, то мультивибратор не имеет ни одного устойчивого состояния, а выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов.

Основные случаи его применения:

Задающий генератор. Можно использовать в качестве синхрогенератора, который вырабатывает импульсы на каждом из коллекторных выходов.

Генератор переменной частоты. Частоту можно перестраивать, изменяя E Б или изменяя параметры элементов в базовой цепи.

Делитель частоты;

Генератор гармоник.

На рис.3.2.2 показаны основные типы мультивибраторов.

Рис.3.2.2. Основные типы мультивибраторов.

1.Моностабильный мультивибратор.

Если одна из цепей связи представляет собой резистор, а другая – конденсатор, то мультивибратор будет иметь одно устойчивое состояние. Транзистор с емкостной связью находится в открытом состоянии, другой транзистор – в закрытом. При подаче запускающего импульса мультивибратор вырабатывает один выходной импульс.

Применение:

Формирование импульсов. Входной импульс с помощью ММВ можно преобразовать в импульс заданной длительности и амплитуды.

Счёт импульсов. Схема ММВ после запуска нечувствительна к последующим запускающим импульсам до тех пор, пока она не возвратится в исходное состояние. Это позволяет использовать его в качестве счётчика.

Задержка импульсов. Спад выходного импульса можно использовать для задержки относительно входного импульса.

2.Бистабильный мультивибратор.

Zсв 1 и Zсв 2 имеют чисто реактивный характер. Тогда можно получить условие для работы с двумя устойчивыми состояниями. При этом один из транзисторов находится в открытом, а другой – в закрытом состоянии. В таком положении устройство может находиться неопределённо-долгое время. Для изменения состояния надо подать запускающий сигнал. Находят применение для следующих целей:

Счёт импульсов. Для того чтобы привести бистабильный мультивибратор в исходное состояние, надо подать один за другим два входных сигнала. По этой причине его можно использовать, как делитель на два.

Запоминающий элемент.

Приведём в качестве примера практическую схему мультивибратора и рассмотрим его работу.

Рис.3.2.3. Схема симметричного астабильного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями.

Предположим, что в исходном состоянии транзистор V 1 открыт, а V 2 закрыт. Конденсатор C Б2 заряжается через резистор R Б2 , обеспечивая увеличение отрицательного напряжения на базе транзистора V 2 до тех пор, пока V 2 не начнёт открываться. Напряжение на коллекторе V 2 уменьшится, на базе транзистора V1 нарастает положительное напряжение, в результате V 1 закрывается, а V2 полностью открывается. Теперь будет заряжаться конденсатор C Б1 , на базе V 1 будет нарастать отрицательное напряжение до тех пор, пока V 1 не откроется снова, и весь цикл повторится.

Блокинг-генераторы.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный генератор с сильной положительной обратной связью, осуществляемой с помощью импульсного трансформатора. Блокинг-генератор генерирует прямоугольные импульсы с амплитудой примерно равной напряжению источника питания, а при использовании повышающей нагрузочной обмотки импульсного трансформатора – превышающей это напряжение. Длительность генерируемых импульсов составляет десятки наносекунд – сотни микросекунд. Используются автоколебательный и ждущий режимы работы.

Рис.3.2.3. Автоколебательный блокинг-генератор с положительной обратной связью.

Длительность импульса определяется параметрами индуктивности и ёмкости. Для изменения длительности можно использовать Rдоб, которое изменяет постоянную времени, определяющую скорость заряда конденсатора. V1 и Rш используются для уменьшения обратного выброса выходного напряжения (на диаграмме обозначен *). Обмотки трансформатора должны быть правильно подсоединены. Точкой обозначают начало обмотки трансформатора.

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) .

Пилообразное напряжение часто используется в практических схемах. Рассмотрим основные параметры, которыми определяется пилообразное напряжение.

Пилообразное напряжение характеризуется следующими параметрами:

T раб – длительность рабочего хода пилообразного напряжения, в течение которого напряжение u (t) изменяется почти по линейному закону.

T обр – длительность обратного хода пилообразного напряжения, в течение которого напряжение u (t) возвращается к исходной величине.

Т – период повторения.

Um – амплитуда, либо Kср = Um / t раб – средняя скорость пилообразного напряжения в течение t раб.

К форме напряжения в течение обратного хода не предъявляют каких-либо требований . К длительности обратного хода обычно предъявляют требование t обр << t раб .

К форме напряжения в течение рабочего хода предъявляют жёсткие требования: напряжение должно изменяться почти по линейному закону. Отклонение от этого закона определяется коэффициентом нелинейности:

(37.1).

Он характеризует относительное изменение скорости изменения напряжения k = du/dt во время рабочего хода.

Чаще всего в течение рабочего хода используется начальный участок экспоненты:

(38.1)

Дифференцируя (38.1) и подставив в (37.1), получим приближённо при условии, что tраб / τ<<1 (а на самом деле так и есть):

ε = t раб /τ (38.2).

Рассмотрим схему простейшего генератора пилообразного напряжения на ключевом каскаде.

До прихода входного импульса транзистор открыт и насыщен. Напряжение на коллекторе uk , на конденсаторе C и на выходе схемы равно U k нас и близко к 0. Входной импульс положительной полярности длительностью t и.вх, равный длительности рабочего хода пилообразного напряжения tраб, закрывает транзистор. Конденсатор C начинает заряжаться от источника E к через сопротивление резистора Rк с постоянной времени

τ = R к ·C. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к E к:

При t = t раб напряжение на выходе достигает наибольшего по абсолютной величине значения:

Т.к. tраб / τ<<1, то

(39.1)

Коэффициент нелинейности ε, определяемый формулой (38.2), в соответствие с (39.1) равен:

Для улучшения линейности надо уменьшать ε, что приводит к необходимости уменьшения коэффициента использования коллекторного напряжения. Так, для достижения линейности ε = 10% (сравнительно плохая линейность) при Um = 10В приходится выбирать Eк = 100В. Максимальное напряжение на коллекторе достигает лишь величины Um и необходимо, чтобы Um

Uкэ проб>E>Um

После прекращения действия входного импульса рабочий ход пилообразного напряжения заканчивается, а конденсатор C разряжается через открывшийся транзистор. Временем разряда определяется длительность обратного хода пилообразного напряжения.

Кроме отмеченного выше недостатком простейшего ГПН на ключевом каскаде является малая величина отношения t раб /t обр. Последнее объясняется тем, что для получения хорошей линейности пилообразного напряжения необходимо выполнить условие:

t раб <<τ = R к ·C

Верхнее значение Rк ограничено условиями насыщения транзистора, а увеличение C приводит к увеличению t обр.

Повысить отношение t раб /t обр можно применением следующей схемы:

Рис. ГПН с большой постоянной времени заряда конденсатора.Схема и временная диаграмма.

В этой схеме включается дополнительная цепочка R1V1. Диод V1 в течение рабочего хода закрыт, а ток заряда конденсатора протекает через R1, сопротивление которого выбирается много меньше высокого обратного сопротивления диода. Конденсатор заряжается с постоянной времени τ = (Rк + R1)·C.

Разряд транзистора осуществляется током транзистора, протекающим через диод V1. Если выбрать R1>>Rк, то можно при неизменной постоянной времени заряда конденсатора C за счёт уменьшения ёмкости конденсатора значительно уменьшить постоянную времени ёмкости разряда, что приведёт к уменьшению длительности обратного хода t обр. При этом отношение t раб /t обр значительно повысится.