Генераторы импульсных сигналов

    Такие генераторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или на операционных усилителях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рисунке 3.

    В данной схеме с помощью резисторов R₁ и R₂ введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения в схеме электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может быть равно либо +Е_пит, либо –Е_пит, где Е_пит — напряжения питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжение U₊₁, или напряжение U₊₂, причем:

    

          (4) ,                   (5) 
 

    

 

    Рисунок 3 - Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ 

    Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, перезаряжается с постоянной времени τ = RC. Напряжение U_c на емкости, равное напряжению U_- на инвертирующем входе, стремится либо к уровню +Е_ПИТ (при U_вых = + Е_пит), либо к уровню –Е_пит (при U_Вых = –E_пит). До момента времени t₁ U₊ – U_ = U_+l – U_c > 0, следовательно, ОУ находится в режиме насыщения и на его выходе удерживается напряжение +Е_пит. Начиная с момента времени эта разность меняет знак, что приводит к изменению напряжения на выходе ОУ на –Е_пит После момента времени t₁ емкость С перезаряжается, причем ее напряжение стремится к уровню –Е_пит . Очевидно, что до момента времени t₂ U₊ – U_= U₊₂ – U_c< 0, что и удерживает выходное напряжение ОУ на уровне –Е_пит. Начиная с момента времени t₂, эта разность вновь меняет знак, происходит изменение напряжения U_вых и т.д. Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные импульсы напряжения. Период следования импульсов Т определяется выражением : 

    

         (6) 

    В случае использования вместо резистора R двух разных резисторов и диодов можно построить несимметричный мультивибратор (рисунок 4,а), у которого длительности положительного и отрицательного импульсов не совпадают. Принцип работы мультивибратора поясняют временные диаграммы (рисунок 4,б).

    Из приведенных построений очевидно, что разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечивается разными постоянными времени перезаряда емкостей τ₁ и τ ₂: 

    τ₁ =R'

С ,    τ₂ = R" С ,           (7) 

    где R" > R'. 

    Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе ОУ (рисунок 3), который иногда называют одновибратором  [3, c.  532].

    Нетрудно заметить, что эта схема аналогична схеме автоколебательного мультивибратора, но в нее введены диод D₂ (для осуществления ждущего режима) и цепь запуска на элементах С₁ , R₃, D₁ ( (рисунок 3, а). Схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе отрицательное (примерно равно –Е_пит). Если бы по какой-либо причине напряжение на выходе оказалось положительным (+Е_пит),то в результате  рассматриваемых дальше процессов состояние схемы изменилось бы.

    

 

    Рисунок 4 (а, б) - Временные диаграммы,  поясняющие принцип работы мультивибратора  

    В исходном состоянии (на выходе –Е_пит) диод D₂ открыт, напряжение на инвертирующем входе U_ примерно равно нулю, а напряжение U₊ на неинвертирующем входе определяется выражением:

    

,        (8)

    U₊ – U_ < О и U_вых = –Е_пит . Диод D₁, подключенный к неинвертирующему входу, закрыт. В момент времени t₁ входной сигнал открывает этот диод, на неинвертируюший вход подается положительный сигнал (на инвертирующем входе остается нулевой сигнал), и ОУ переходит в режим с положительным напряжением на выходе. После этого начинается заряд конденсатора С. Когда напряжение на нем становится больше напряжения U₊₁ определяемого выражением :

    

         (9)

    Дифференциальный сигнал U₊ – U_ становится отрицательным и ОУ возвращается в исходное устойчивое состояние (в таком состоянии дифференциальный сигнал отрицательный).

    Из временных диаграмм (рисунок 5, б) следует, что лишь после момента времени t₃ можно подавать очередной запускающий импульс.

    Существуют схемы ждущих мультивибраторов на дискретных и логических элементах [3, c.  534].

    Для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч используют блокинг-генераторы. Основным элементом таких генераторов является импульсный трансформатор. Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режимах или режиме синхронизации. 

    

    Рисунок 5 (а) - Временные диаграммы

    

    Рисунок 5 (б) - Временные диаграммы 

    Рассмотрим схему автоколебательного блокинг-генератора (рисунок 6, а). Во время паузы (выходное напряжение отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по цепи Е – R – W₂ с постоянной времени τ₁ = RC. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С (и, следовательно, на базе транзистора) становится равным нулю, транзистор начинает открываться (выходить из режима отсечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает появление сигнала положительной обратной связи (через обмотку трансформатора W₂), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения. При этом конденсатор С перезаряжается по цепи W₂ – С – входное сопротивление транзистора τ_вх с постоянной времени τ ₂ = r_вх С. При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце концов транзистор выходит из насыщения и начинает закрываться. Возникает сигнал положительной обратной связи, который скачкообразно переводит транзистор в запертое состояние. После этого энергия, запасенная в индуктивности намагничивания, рассеивается на сопротивлении нагрузки. Так как r_вх « R, то время нахождения транзистора в открытом состоянии t, а следовательно, и длительность импульса на нагрузке значительно меньше периода следования импульсов. Временные диаграммы работы автоколебательного блокинг-генератора приведены на рисунке 6 (б).

    

    Рисунок 6 - схему автоколебательного блокинг-генератора (а), временные диаграммы работы автоколебательного блокинг-генератора (б) 
 

    2.3 Генераторы линейно изменяющегося напряжения 

    Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называют напряжение, которое в течение промежутка времени, называемого рабочим ходом, изменяется по линейному закону, а затем в течение промежутка времени, называемого, обратным ходом, возвращается к исходному уровню (рисунок 7).

    

    Рисунок 7 - Линейно изменяющиеся  напряжение (ЛИН) 

    На рисунке 7 приняты следующие обозначения:

      U₀ – начальный уровень, U_m – амплитуда ЛИН, Т_p – время рабочего хода, Т₀ – время обратного хода [3, c.  537].

    Линейность ЛИН оценивается коэффициентом нелинейности, который определяется по формуле: 

    

 ,         (10) 

    где U'(0) — первая производная напряжения по времени (скорость изменения ЛИН) в начале рабочего хода; U'(Т_p) — первая производная напряжения по времени в конце рабочего хода.

    Устройства, предназначенные для формирования ЛИН, называют генераторами ЛИН (ГЛИН). Генераторы ЛИН часто называют генераторами пилообразного напряжения.

    Принцип построения генераторов ЛИН основан на заряде емкости постоянным или почти постоянным током. Основой ГЛИН (рисунок 8) является емкость, через которую от источника постоянного тока ИТ протекает постоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом устройстве КУ напряжение на емкости определяется выражением:

    

,         (11)

      (при i_с = I = const), т. е. изменяется по линейному закону. 

    

 

    Рисунок 8 (а , б) - Основой ГЛИН 

    При замыкании КУ емкость разряжается через сопротивление КУ и т. д.

    ГЛИН могут работать либо в ждущем (рисунок 8, а) , либо в автоколебательном режиме (рисунок 8, б). ГЛИН в автоколебательном режиме формирует ЛИН регулярно, а для получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме необходим внешний импульс напряжения U_вх.

    Все ГЛИ Н можно разделить на три типа:

    а)   с интегрирующей RC – цепочкой;

    б)  с токостабилизирующим двухполюсником;

    в)  с компенсирующей обратной связью (ОС).

    В простейшем случае (рисунок 9) основой ГЛИН является интегрирующая RC – цепочка. В этой схеме: 

    

   (12) ,   (13) ,  т.е.   (14) 

    При τ = RC » t₁ U_cl « U  и, следовательно, на отрезке времени [0, t₁] 

    

,          (15) 

     т. е. на начальном участке экспоненты скорость изменения напряжения U_c примерно постоянна и при малых значениях t формируется ЛИН  [3, c.  539]. 

    

 

    Рисунок 9 - Основой ГЛИН, являющийся интегрирующей RC – цепочкой 

    Достоинством данных генераторов является простота их реализации. Существенным же недостатком является то, что для получения малого коэффициента нелинейности необходимо, чтобы напряжение генератора U было гораздо больше амплитуды ЛИН.

    Такой генератор может быть реализован на основе транзисторного ключа (рисунок 10).

    До момента времени t₁ транзисторный ключ находится в режиме насыщения, т. е. напряжение U_кэ , а значит, и напряжение U_вых равны нулю. При подаче в момент времени t₁ запирающего импульса напряжения транзистор входит в режим отсечки, и емкость С заряжается от источника Е_k через сопротивление R_k , причем напряжение на емкости стремится к уровню Е_k . В момент времени t₂ транзистор вновь входит в режим насыщения, и емкость через малое сопротивление промежутка коллектор-эмиттер транзистора разряжается. Если промежуток времени t₂ – t₁ гораздо меньше RC, то, как было показано выше, напряжение на емкости изменяется по линейному закону. Для предотвращения пробоя транзистора (например, при увеличении длительности входного импульса) к его коллектору подключен диодный ограничитель (D, Е_ф). Если по какой-либо причине напряжение на емкости увеличивается, то, как только оно достигнет уровня Е_ф, диод D открывается и напряжение U_вых удерживается на уровне Е_ф.

    

 

    Рисунок 10 – Генератор, реализованный на основе транзисторного ключа 

    Рассмотрим принцип построения ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником, обеспечивающим протекание через него постоянного тока независимо от приложенного напряжения. Схема, поясняющая принцип построения такого ГЛИН, приведена на рисунке 11.

    

 

    Рисунок 11 - ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником

    В этой схеме через двухполюсник R и емкость С протекает ток i_R , определяемый выражением:  

    

            (16)