Генератор на оу с однополярным питанием. Генератор треугольных импульсов на одном операционном усилителе: принцип работы и расчет

alexxlabРазное
Как работает генератор треугольных импульсов на одном ОУ. Какие компоненты схемы влияют на параметры выходного сигнала. Как рассчитать номиналы резисторов и конденсатора для получения нужной частоты и амплитуды выходного сигнала.

Содержание

Принцип работы генератора треугольных импульсов на одном ОУ

Генератор треугольных импульсов на одном операционном усилителе (ОУ) представляет собой простую и эффективную схему для генерации сигнала треугольной формы. Рассмотрим принцип ее работы:

  • ОУ работает как компаратор с положительной обратной связью, создавая прямоугольный сигнал на выходе
  • RC-цепочка интегрирует прямоугольный сигнал, формируя треугольные импульсы
  • Резистор R3 обеспечивает гистерезис, задавая пороги переключения компаратора

Такая схема позволяет получить стабильный треугольный сигнал, используя всего один операционный усилитель.

Ключевые компоненты схемы генератора

Основными элементами схемы генератора треугольных импульсов на одном ОУ являются:


  • Операционный усилитель — работает в режиме компаратора
  • Резисторы R1, R2, R3 — задают пороги переключения компаратора
  • Резистор R4 и конденсатор C1 — интегрирующая RC-цепочка

От номиналов этих компонентов зависят параметры выходного сигнала — частота, амплитуда, скважность.

Влияние компонентов на параметры выходного сигнала

Рассмотрим, как различные компоненты схемы влияют на характеристики выходного треугольного сигнала:

  • Частота зависит от времени заряда/разряда конденсатора C1 через R4
  • Амплитуда определяется порогами переключения, задаваемыми R1, R2, R3
  • Скважность близка к 50%, но может регулироваться подбором R3

Понимание этих зависимостей позволяет рассчитать номиналы компонентов для получения требуемых параметров сигнала.

Расчет номиналов компонентов

Для расчета номиналов компонентов генератора треугольных импульсов можно использовать следующие формулы:

  • Частота: f = 1 / (2 * R4 * C1 * ln((Vcc + Vref) / (Vcc — Vref)))
  • Амплитуда: A = Vcc * (R2 / (R1 + R2))
  • Скважность: Q = 50% * (1 + (R3 / (R1 + R2)))

Здесь Vcc — напряжение питания, Vref — опорное напряжение (обычно Vcc/2). Подставляя желаемые значения частоты и амплитуды, можно рассчитать необходимые номиналы резисторов и конденсатора.


Пример расчета генератора на частоту 1 кГц

Рассмотрим пример расчета генератора треугольных импульсов на частоту 1 кГц и амплитуду 5В при напряжении питания 12В:

  1. Выбираем C1 = 10 нФ
  2. Рассчитываем R4 = 1 / (2 * f * C1 * ln(2)) ≈ 72 кОм
  3. Задаем R1 = R2 = 10 кОм для Vref = Vcc/2
  4. Находим R3 = R1 * ((Vcc/A) — 1) ≈ 14 кОм

С такими номиналами получим генератор с частотой около 1 кГц и амплитудой 5В. Точную подстройку можно выполнить небольшой корректировкой номиналов.

Преимущества и недостатки схемы

Генератор треугольных импульсов на одном ОУ имеет ряд достоинств и ограничений:

Преимущества:

  • Простота схемы — всего один активный компонент
  • Низкая стоимость
  • Широкий диапазон частот (от долей Гц до сотен кГц)

Недостатки:

  • Нелинейность при высоких частотах
  • Зависимость параметров от температуры
  • Ограниченная точность установки частоты

Несмотря на недостатки, такой генератор часто используется в простых устройствах, где не требуется высокая точность.

Практические рекомендации по реализации

При практической реализации генератора треугольных импульсов на одном ОУ следует учитывать несколько моментов:


  • Используйте высокоскоростной ОУ с rail-to-rail выходом
  • Применяйте стабилизированное питание
  • Для точной подстройки частоты используйте подстроечный резистор вместо R4
  • Для улучшения линейности выберите C1 с малым ТКЕ
  • Используйте экранирование для уменьшения наводок

Следуя этим рекомендациям, можно добиться стабильной работы генератора и хороших параметров выходного сигнала.

Области применения генератора треугольных импульсов

Генераторы треугольных импульсов находят применение во многих областях электроники:

  • Тестовые и измерительные приборы
  • Источники развертки в осциллографах
  • Модуляторы в системах связи
  • Генераторы звуковых эффектов
  • ШИМ-контроллеры в импульсных источниках питания

Простота и универсальность схемы делают ее популярным выбором для многих приложений, где требуется формирование треугольного сигнала.

Заключение

Генератор треугольных импульсов на одном операционном усилителе представляет собой простое и эффективное решение для формирования сигнала треугольной формы. Несмотря на некоторые ограничения, такая схема широко применяется благодаря своей простоте и низкой стоимости.


Понимание принципа работы и влияния компонентов на параметры выходного сигнала позволяет легко рассчитать и реализовать генератор с нужными характеристиками. При правильном подборе компонентов и соблюдении рекомендаций по реализации можно добиться хороших результатов даже в достаточно требовательных приложениях.


Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 12

7 февраля 2019

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаавтоматизациялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI

). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

ШИМ-генератор на ОУ

Исходные данные к расчету представлены в таблице 34.

Таблица 34. Исходные данные к расчету

ВходВыходПитание
ViMinViMaxVoMinVoMaxVccVeeVref
-2,0 В2,0 В0 В5 В5 В0 В2,5 В

Описание схемы

Данная схема использует генератор треугольных импульсов и компаратор для формирования ШИМ-сигнала с частотой 500 кГц и коэффициентом заполнения, обратно пропорциональным входному напряжению (рисунок 42). Операционный усилитель (U

3) и компаратор (U4) генерируют треугольный сигнал, подаваемый на инвертирующий вход второго компаратора (U2). Входное напряжение схемы поступает на инвертирующий вход усилителя рассогласования (U1) и далее на неинвертирующий вход компаратора (U2). Выходной ШИМ-сигнал формируется при сравнении входного напряжения и треугольного сигнала. Сигнал с выхода U2 используется для обратной связи и подается на вход усилителя рассогласования (U1). Это сделано для улучшения точности и линейности при генерации ШИМ-сигнала.

Рис. 42. Схема ШИМ-генератора

Рекомендуем обратить внимание:

  • используйте компаратор c выходом типа “push-pull” и минимальным временем задержки;
  • Применяйте ОУ с подходящими значениями скорости нарастания, GBW и диапазона выходных напряжений;
  • частота полюса, создаваемого конденсатором С, должна лежать ниже частоты переключений и значительно выше слышимого звукового диапазона;
  • импеданс источника опорного напряжения должен быть минимальным. Для этой цели может быть использован выход ОУ.

Порядок расчета

  • Выбираем коэффициент усиления для входного сигнала по формуле 1:

$$GAIN=-\frac{R_{4}}{R_{3}}=-1\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Задаем R3 = R4 = 10 кОм.

  • Выбираем сопротивления R1 и R2 для деления опорного напряжения и получения единичного усиления сигнала на неинвертирующем входе (формула 2):

$$V_{O\_DC}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\times V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

R1 = R2 = R3 = R4 = 10 кОм.

Тогда VO_DC = 2,5 В.

  • Амплитуда Vtri должна быть выбрана выше максимальной амплитуды входного напряжения (2,0 В), чтобы избежать коэффициента заполнения ШИМ-сигнала 0% и 100%. Выбираем V
    tri     = 2,1 В. Амплитуда V1 = 2,5 В (формула 3):

$$V_{tri}\:(амплитуда)=\frac{R_{5}}{R_{6}}\times V_{1}\:(амплитуда)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Задаем R6 = 10 кОм и определяем R5 по формуле 4:

$$R_{5}=\frac{V_{tri}\:(амплитуда)\times R_{6}}{V_{1}\:(амплитуда)}=8. 4\:кОм\approx 8.45\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Задаем частоту ШИМ 500 кГц, исходя из формулы 5:

$$f_{t}=\frac{R_{6}}{4\times R_{7}\times R_{5}\times C_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Задаем С3 = 100 пФ и рассчитываем R7 по формуле 6:

$$R_{7}=\frac{R_{6}}{4\times f_{t}\times R_{5}\times C_{3}}=5.92\:кОм\approx 5.90\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

  • Выбираем С1 для ограничения полосы пропускания усилителя ниже частоты ШИМ (формула 7):

$$f_{p}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{4}\times C_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

С1 = 100 пФ → fp = 159 кГц

  • Выбираем С2 для фильтрации шума Vref и подставляем в формулу 8:

C2 = 100 нФ (номинал).

$$f_{div}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{1}\parallel R_{2}\times C_{2}}=320\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) изображено на рисунке 43.

Рис. 43. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 44.

Рис. 44. Осциллограммы переходных процессов

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 35.

Таблица 35. Параметры ОУ, используемого в расчете

OPA2365
Vss 2,2…5,5 В
VinCM Rail-to-rail
Vout Rail-to-rail
Vos 100 мкВ
Iq 4,6 мА
Ib 2 пА
UGBW50 МГц
SR25 В/мкс
Число каналов2

В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 36

Таблица 36. Параметры альтернативных ОУ

TLV3502OPA2353
Vss 2,2…5,5 В2,7…5,5 В
VinCM Rail-to-railRail-to-rail
Vout Rail-to-railRail-to-rail
Vos 1 мВ3 мкВ
Iq 3,2 мА5,2 мА
Ib 2 пА0,5 пА
UGBW–44 МГц
SR–22 В/мкс
Число каналов22

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
  2. Инвертирующий усилитель
  3. Неинвертирующий усилитель
  4. Инвертирующий сумматор
  5. Дифференциальный усилитель
  6. Интегратор
  7. Дифференциатор
  8. Трансимпедансный усилитель
  9. Однополярная схема измерения тока
  10. Биполярная схема измерения тока
  11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Приборы промышленной автоматики МикРА — impuls2.

htm

5.  Лабораторная работа  № 2 «Одновибраторы».

 

Одновибраторами называют спусковые релаксационные устройства с одним устойчивым и одним квазиустойчивым состоянием, которые в ответ на внешний запускающий импульс генерирует выходной с требуемыми параметрами (полярность, уровни выходных сигналов U02, U12, длительность  tи).

В  лабораторную  установку  входят:  учебно — лабораторный  стенд «ИМПУЛЬС», генератор импульсов Г5-54 и осциллограф  С1-55.   При измерениях используется внешняя синхронизация осциллографа от генератора прямоугольных импульсов.

 

5.1.   Одновибратор на операционном усилителе.

Цель работы – исследовать принцип работы и свойства одновибратора на основе операционного усилителя (ОУ), определить влияние параметров компонентов схемы на параметры одновибратора.

 

Описание исследуемой схемы.

Исследуемый одновибратор построен на основе операционного усилителя DА1 типа LM 224 (рис. 5). Операционный усилитель охвачен резистивной ПОС (R4, R3, R2) и резистивно-емкостной ООС (R5, R6, C2, C3). Запаздывающая ООС является времязадающей цепью одновибратора. Диод VD2 обеспечивает заторможенное состояние  схемы, в котором ОУ находится в режиме отрицательного ограничения. Входные импульсы поступают на ОУ через деференцирующую цепь R1, C1, VD1. В схеме используется ОУ с однополярным питанием 5В. Для правильной его работы нужна виртуальная земля, которая получается применением делителя напряжения на резисторах R11, R12.

 

Рис. 5

 

Выполнение лабораторной работы.

1. Включить питание стенда кнопкой «Сеть»

2. Переключателем лабораторных работ, который находится на задней панели, включить лабораторную работу №2 «Одновибраторы».

3. Определить амплитуду U1m   и длительность  tвх  входного импульса положительной полярности, обеспечивающего устойчивый запуск одновибратора с частотой 1 кГц.

4. Снять и построить временные диаграммы работы одновибратора (гнезда КТ1, КТ2, КТ3, КТ4) для входного импульса минимальной длительности.

5.  По временным диаграммам определить параметры выходного импульса U02  , U12  , t10ф  , t01ф , tи. Результаты измерений свести в таблицу 5.

6. Определить длительности выходного импульса одновибратора для возможных комбинаций времязадающей цепи.

7. Исследовать влияние коэффициента передачи цепи ПОС (переключатель П2) на длительность выходного импульса при максимальной τ = RC цепи ООС.  Результаты измерений свести в таблицу 6.

 

5.2. Одновибратор на основе логических схем.

Цель работы – исследовать принцип работы и свойства одновибратора на основе логических схем (ИС) типа И-НЕ, определить зависимость параметров одновибратора  от компонентов схемы.

 

Описание исследуемой схемы.  

Исследуемый одновибратор построен на основе логических ИС DD1  (рис. 5) типа CD4011, реализующих логическую функцию И-НЕ. Для запуска на схему следует подать короткий положительный импульс. После вентиля DD1.3, выполняющего функцию инвертора, отрицательный импульс поступает на запуск одновибратора, построенного на вентилях DD1.1, DD1.2. Вентили DD1.1, DD1.2 замкнуты емкостной (С4, С5) и непосредственной связями в контур, в котором действует ПОС. Временные параметры одновибратора определяются RC цепью из R7, R8, C4, C5, коммутируемых переключателями П4 и П5.

 

Выполнение лабораторной работы.   

1. Снять и построить временные диаграммы работы (гнезда КТ5, КТ6, КТ7). Для этого на вход Ген. необходимо подать положительный импульс с амплитудой U1m =2,8…4В, длительностью tвх =2 мкс и частотой 1 кГц

2. По временным диаграммам выходных импульсов определить параметры U02, U12, t10ф, t01ф, tи . Результаты измерений свести в таблицу 7.

3. Определить длительности выходных импульсов одновибратора для возможных комбинаций времязадающей цепи. Результаты измерений свести в таблицу 8.

 

5.3. Одновибратор на основе специализированной интегральной схемы.

Цель работы – исследовать принцип работы и свойства одновибратора на основе специализированной ИС типа СD4098, определить зависимость параметров одновибратора  от компонентов схемы.

        

Описание исследуемой схемы.  

Исследуемый одновибратор построен на основе специализированной ИС DD2 типа   CD4011 (рис.5). Для запуска на схему следует подать короткий положительный импульс.. Временные параметры одновибратора определяются RC цепью из R9, R10, C6, коммутируемых переключателем П6.

 

Выполнение лабораторной работы.

1. Снять и построить временные диаграммы работы (точки КТ5, КТ8). Для этого на вход необходимо подать положительный импульс с амплитудой U1m =2,8…4В, длительностью tвх =2 мкс и частотой 1 кГц. Использовать внешнюю синхронизацию.

2. По временным диаграммам выходных импульсов определить параметры U02, U12, t10ф, t01ф, tи . . Результаты измерений свести в таблицу 9.

3. Определить длительности выходных импульсов одновибратора для возможных комбинаций времязадающей цепи. Результаты измерений свести в таблицу 10.

 

6. Лабораторная работа № 3 «Генераторы».

 

Генераторы – автоколебательные устройства, генерирующие последовательность импульсов, амплитуда U2m  , частота fг  и скважность Q  которых задаются параметрами входящих в схему электронных компонентов.

В  лабораторную  установку  входят:  учебно — лабораторный  стенд «ИМПУЛЬС»,  осциллограф  С1-55 и вольтметр Щ4300.   При измерениях используется внутренняя синхронизация осциллографа выходным сигналом  генератора.

    

6. 1.        Генератор на операционном усилителе.

Цель работы – исследовать принцип работы и свойства генератора на основе ОУ, определить влияние параметров компонентов схемы на параметры генератора.

 

Описание исследуемой схемы.

Исследуемый генератор (рис.6) построен на основе операционного усилителя DA1 типа LM224. Операционный усилитель (ОУ) охвачен резистивной ПОС (резисторы R4, R5, R1) и резистивно-емкостной ООС (R2, R3, C1, C2). Под действием ПОС схема регенеративно переключается в одно из двух возможных квазиустойчивых состояний, в которых ОУ находится в режиме ограничения. Скорость перезаряда конденсаторов цепи ООС коммутируется переключателями П1 и П3, а уровень перезаряда – переключателем П2.

     

Рис. 6

 

Выполнение лабораторной работы.

1. Включить питание стенда кнопкой «Сеть»

2. Переключателем лабораторных работ, который находится на задней панели, включить лабораторную работу №3 «Генераторы».

3. Снять и построить временные диаграммы работы генератора (гнезда КТ2, КТ3, КТ4). Для наблюдения осциллограмм в точках КТ2, КТ3 использовать  «закрытый» вход осциллографа, а в КТ4 – «открытый».

4. По временным диаграммам определить параметры генератора: U02, U12, t01ф,   t10ф, Т1, Т2, скважность Q = Т1 / (Т1 + Т2 ), где Т1  — длительность положительного полупериода и частоту fг  = 1 / (Т1 + Т2 ) Результаты измерений свести в таблицу 11.

5. Определить частоту генерации и скважность выходных импульсов генератора для четырех вариантов частотозадающей цепи (П1, и П3) при двух значениях коэффициентов передачи в цепи ПОС (П2). Результаты измерений свести в таблицу 12.

 

6.2. Генератор на основе таймера.

Цель работы – исследовать принцип работы и свойства генератора на основе таймера, определить влияние параметров компонентов схемы на параметры генератора.

 

Описание исследуемой схемы.

Исследуемый генератор построен на основе интегрального таймера DD1 типа TS555.

При включении конденсатор С3  заряжается через резисторы R6 и  R7 до уровня 2/3 Uп  .  При этом на выходе таймера (КТ6) установится напряжение логической  «1». При превышении этого напряжения срабатывает внутренняя схема управления таймера, которая соединяет вывод «РАЗР» с землей  и устанавливает  на выходе (КТ6) уровень логического нуля. При этом   конденсатор С3 будет разряжаться через резистор R6. При достижении напряжения на конденсаторе С3 уровня 1/3 Uп  срабатывает внутренняя схема управления таймера, которая устанавливает  выход таймера (КТ6) в состояние логической  единицы  и отсоединяет вывод «РАЗР» от земли. Конденсатор С3 снова заряжается через резисторы R6 и  R7 до уровня 2/3 Uп.

 

Выполнение лабораторной работы

1. Снять и построить временные диаграммы работы генератора (гнезда КТ5, КТ6).

2. По временным диаграммам определить параметры генератора: U02, U12, t01ф,   t10ф, Т1, Т2, скважность Q = Т1 / (Т1 + Т2 ), где Т1  — длительность положительного полупериода и частоту fг  = 1 / (Т1 + Т2 ). Результаты измерений свести в таблицу 13.

3. Определить частоту генерации и скважность выходных импульсов генератора для четырех вариантов частотозадающей цепи (П4 и П5). Результаты измерений свести в таблицу 14.

 

6.3.  Генератор на основе специализированной интегральной схемы

Цель работы – исследовать принцип работы и свойства генератора на основе специализированной интегральной схеме,  определить влияние параметров компонентов схемы на параметры генератора.

 

Описание исследуемой схемы

Исследуемый генератор построен на основе интегральной схемы DD2 типа CD4046, которая представляет собой генератор управляемый напряжением. Частота генерации определяется элементами R9,R10, C5, C7. При изменении управляющего напряжения регулятором U вх., изменяется частота выходных импульсов генератора (КТ7).

 

Выполнение лабораторной работы

1. Снять и построить временную диаграмму работы генератора   ( КТ7). При этом установить регулятором U вх. управляющее напряжение  равное 2,5 В.

2. По временной диаграмме определить параметры генератора: U02, U12, t01ф,   t10ф и частоту fг. Результаты измерений свести в таблицу 15.

3. Определить зависимость частоты генерации fг от управляющего напряжения U вх и коэффициент перестройки частоты К = fmax/ fmin  для трех вариантов времязадающей цепи (П6, П7). Результаты измерений свести в таблицу 16. Диаграммы зависимости частоты генерации от управляющего напряжения согласно п. 3 построить на общем графике в логарифмическом масштабе.

 

<Назад

Прецизионный генератор треугольных волн

использует одну микросхему