Как работают генераторы пилообразного напряжения в осциллографах. Какие существуют схемы генераторов на транзисторах, микросхемах и однопереходных транзисторах. Для чего используются пилообразные сигналы в электронике.
Принцип работы генератора пилообразного напряжения
Генератор пилообразного напряжения — это электронная схема, формирующая сигнал особой формы, напоминающей зубья пилы. Такой сигнал характеризуется медленным линейным нарастанием напряжения с последующим быстрым спадом до исходного уровня. Этот цикл периодически повторяется.
Основные параметры пилообразного сигнала:
- Амплитуда — размах напряжения от минимума до максимума
- Период — время одного полного цикла
- Частота — количество циклов в секунду
- Длительность прямого хода — время нарастания напряжения
- Длительность обратного хода — время спада напряжения
Как формируется пилообразное напряжение в простейшем случае? Конденсатор заряжается через резистор от источника постоянного напряжения. При достижении порогового уровня срабатывает разрядное устройство (например, тиристор), которое быстро разряжает конденсатор. Затем цикл повторяется.
Области применения генераторов пилообразного напряжения
Генераторы пилообразного напряжения широко используются в различных областях электроники и измерительной техники:
- В осциллографах — для формирования развертки луча по горизонтали
- В телевизорах — для отклонения электронного луча по строкам и кадрам
- В импульсных источниках питания — для широтно-импульсной модуляции
- В музыкальных синтезаторах — для создания специфических звуков
- В системах автоматики — для реализации пилообразных законов регулирования
Рассмотрим подробнее применение в осциллографах. Здесь пилообразное напряжение подается на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, обеспечивая равномерное движение луча слева направо. Обратный ход луча происходит во время быстрого спада напряжения.
Схема простого генератора на однопереходном транзисторе
Одна из простейших схем генератора пилообразного напряжения может быть реализована на однопереходном транзисторе (ОПТ). Рассмотрим принцип ее работы:
1. Конденсатор C1 медленно заряжается через резистор R1 от источника питания.
2. При достижении напряжения на C1 порога включения ОПТ, транзистор открывается и быстро разряжает конденсатор.
3. После разряда C1 ОПТ закрывается, и цикл повторяется.
4. С конденсатора C1 снимается пилообразное напряжение.
Частоту генерации можно регулировать, изменяя номиналы R1 и C1. Типичные значения: R1 = 10-100 кОм, C1 = 1-10 нФ.
Генератор пилообразного напряжения на операционном усилителе
Более стабильный генератор можно построить на основе операционного усилителя. Принцип действия такой схемы:
1. ОУ работает в режиме интегратора, формируя на выходе линейно нарастающее напряжение.
2. Компаратор сравнивает выходное напряжение с опорным.
3. При достижении порога компаратор переключается и разряжает интегрирующий конденсатор.
4. После разряда цикл повторяется.
Преимущества данной схемы:
- Высокая линейность нарастающего участка
- Стабильность частоты
- Возможность управления частотой и амплитудой
Генератор пилообразного напряжения на таймере 555
Популярная микросхема таймера 555 позволяет легко реализовать генератор пилообразного напряжения. Схема работает следующим образом:
1. Конденсатор C заряжается через резистор R от источника питания.
2. При достижении 2/3 напряжения питания срабатывает внутренний компаратор микросхемы.
3. Выходной транзистор открывается и быстро разряжает конденсатор.
4. При падении напряжения до 1/3 питания транзистор закрывается и цикл повторяется.
Частота генерации определяется формулой:
f = 1 / (0.693 * R * C)
Достоинства схемы на 555 таймере:
- Простота реализации
- Широкий диапазон частот (от долей Гц до сотен кГц)
- Стабильность параметров
Цифровой генератор пилообразного напряжения
Современный подход к построению генераторов пилообразного напряжения — использование цифровых методов. Типичная структура цифрового генератора включает:
- Тактовый генератор
- Счетчик
- Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
- Схему сброса счетчика
Принцип работы:
1. Счетчик последовательно увеличивает свое значение от 0 до максимума.
2. ЦАП преобразует цифровой код в аналоговое напряжение, формируя нарастающий участок.
3. При переполнении счетчика происходит его сброс в 0.
4. На выходе ЦАП формируется скачок напряжения вниз.
5. Процесс повторяется, образуя пилообразный сигнал.
Преимущества цифрового метода:
- Высокая точность и стабильность параметров
- Легкость изменения частоты и формы сигнала
- Возможность формирования сложных сигналов
Методы улучшения линейности пилообразного напряжения
Для повышения качества пилообразного сигнала применяются различные методы улучшения линейности нарастающего участка:
- Использование генератора тока для заряда конденсатора вместо резистора
- Применение отрицательной обратной связи в интеграторе
- Коррекция с помощью нелинейных элементов (диодов, транзисторов)
- Использование составных транзисторов с высоким коэффициентом усиления
- Цифровые методы коррекции нелинейности
Выбор конкретного метода зависит от требований к точности и стабильности параметров генератора.
Особенности генераторов для электронно-лучевых осциллографов
Генераторы развертки в осциллографах имеют ряд особенностей:
- Широкий диапазон частот (от единиц Гц до десятков МГц)
- Высокая линейность нарастающего участка
- Малая длительность обратного хода (не более 5% от периода)
- Возможность синхронизации от внешнего сигнала
- Регулировка частоты и амплитуды развертки
Для обеспечения этих требований применяются сложные схемы с использованием операционных усилителей, специализированных микросхем и цифровых методов формирования сигнала.
Заключение
Генераторы пилообразного напряжения остаются важным элементом многих электронных устройств. Современные схемотехнические решения позволяют создавать генераторы с высокими техническими характеристиками для различных применений. Знание принципов работы и особенностей реализации таких генераторов необходимо для разработки качественной электронной аппаратуры.
Самодельный импульсный осциллограф (до 5МГц)
Нет смысла спорить о том, насколько необходим радиолюбителю осциллограф, но приобретение такого прибора для многих из нас проблематично. Можно сделать осциллограф самостоятельно. Конечно, высокочастотный промышленный образец повторить в домашних условиях будет трудно, так как для его налаживания необходимы специальные приборы.
Но, если вам нужен осциллограф только для изучения процессов в логических схемах и устройствах, частоты в которых не превышают 5 МГц, то можно обойтись и предельно упрощенным прибором.
Здесь описывается простой самодельный импульсный осциллограф, при помощи которого можно исследовать процессы в цепях постоянного, импульсного и переменного тока. Причем осциллограф имеет два входа вертикального отклонения, на первом (Х2) исследование постоянного тока, импульсного и переменного возможно только на пределах чувствительности от 0,5В / деление, до 50V / деление, а на втором (Х2) чувствительность выше, и достигает 30mV / деление, но этот вход только для переменного тока.
Таким образом, Х1 — вход при помощи которого можно исследовать предварительные УНЧ и другие устройства, в цепях которых малые переменные напряжения, а Х2 — вход для работы с логическими схемами, узлами разверток телевизоров, и другими цепями, в которых относительно высокие напряжения и бывает нужно видеть и переменную и постоянную составляющую одновременно.
Принципиальная схема
Изменение чувствительности на Х1 -плавное, не калиброванное, — при помощи R2, а на Х2 — калиброванное, пятипозиционное. Входы переключаются переключателем S1. Переключатель S3 служит для включения импульсного режима на Х2.
Выходной каскад вертикального отклонения заимствован из Л.1. Он выполнен на электронной лампе — триоде. Достоинство каскада в том, что при отсутствии входного сигнала напряжение на сетке Н1.2 равно нулю.
Это позволяет подавать на сетку триода сигнал без разделительного конденсатора, а значит, и постоянное напряжение то же. Для того чтобы получить нуль на сетке, на катод триода Н1.
2 подано небольшое постоянное напряжение 1,5V, стабилизированное светодиодом Hl1, работающем здесь как стабистор.
Рис. 1. Схема осциллографа.
Обычно, выходные каскады осциллографов строятся по дифференциальным схемам, но здесь используется обычный усилительный каскад на Н1.2. Вертикальные отклоняюшие пластины лучевой трубки VL1 включены между анодом Н1.2 (+130V) и делителем напряжения на резисторе R40. Установив этим резистором’ напряжение на второй вертикальной пластине VL1 равное напряжению на аноде Н1.2 мы установим горизонтальную линию на экране осциллографа в середину экрана. Резистором R40 можно её перемещать.
Второй триод лампы Н1.1 служит предварительным усилителем переменного напряжения, поступающего на вход Х1. Узел горизонтальной развертки выполнен на транзисторах УТ1-УТ4. На транзисторах VT1 и VT2 выполнен мультивибратор. Сигнал синхронизации на него поступает с анода Н1.2 через цепь С6-R20-R21-С7-R22. Резистором R21 можно регулировать уровень синхронизации или вообще отключить синхронизацию переведя его в нижнее (по схеме) положение.
Когда VT1 закрыт, а VT2 открыт, выбранный конденсатор (С10-С18) быстро заряжается через R25 и VT2. Напряжение на эмиттере VT2, при этом, приближается к напряжению на коллекторе VT1, и VT2 закрывается, а на его коллекторе устанавливается напряжение около 260V.
Через цепь С8-С9-R25 поступает импульс на базу VT1 и он открывается, что приводит к понижению напряжения на его коллекторе и еще большему закрытию УТ2. Затем, выбранный конденсатор (С10-С18) начинает разряжаться через источник тока на VT4.
Напряжение на конденсаторе (С10-С18) линейно убывает, и как только достигнет значения ниже напряжения на коллекторе открытого транзистора VT1, происходит быстрая зарядка конденсатора (С10-С18) через VT2 и R6. Весь цикл повторяется. Так образуется пилообразное напряжение горизонтальном развертки.
Частота этого напряжения зависит от параметров (RC-цепи, то есть, от того какой из конденсаторов С10-С18 выбран и от того в каком положении находится R30, управляющим источником тока на УТ4.
На горизонтальные пластины пилообразное напряжение развертки поступает через эмиттерный повторитель Т3 и разделительный конденсатор С20. Подстроечный резистор R27 служит для регулировки размаха этого напряжения (длина горизонтальной линии). Поскольку среднее напряжение на пластинах горизонтального и вертикального отклонения (когда точка в центре экрана) должно быть примерно равным напряжению на второй сетке лучевой трубки, то на пластинах горизонтального отколонения создается напряжение смещения около 130V при помощи делителя R15-R16.
Центровка по горизонтали — переменным резистором R39. Для нормальной работы лучевой трубки требуется подача переменного напряжения около 6,3V на накальную цепь, подача открывающего напряжения на модулятор (вывод 3), подача фокусирующего напряжения на первую сетку (вывод 4), подача напряжения около (-210V) на катод (вывод 2) и подача напряжения на вторую сетку (вывод 8), равное среднему напряжению на отколоняющих пластинах.
От этого напряжения (на выв.
8) зависит четкость линии по краям экрана («Астигматизм»), которая регулируется резистором R18.
Источник питания
В данном осциллографе используется лучевая трубка 7Л055И, отличающаяся от многих других тем, что для неё необходимо подавать напряжение около +1000V на её «колбу» (на анод). Если вы используете в данном приборе другую лучевую трубку, например, 5Л038И, то источник +1000V не нужен.
Рис. 2. Схема источника питания для осциллографа.
Источник питания осциллографа несколько необычен. Дело в том, что чтобы не изготавливать трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой были использованы два более доступных готовых трансформатора с низковольтными обмотками, включенные, как бы, встречно. Трансформатор Т2 работает понижающим, а трансформатор Т1 — повышающим.
Напряжение +1000V получено простым диодным умножителем.
Следует, однако, заметить что такой источник питания обладает и недостатком -реальное переменное напряжение накала составляет, фактически, 5,9V.
В принципе, для 7Л055И этого достаточно, но, если другая лучевая трубка будет плохо работать нужно принять меры к поднятию этого напряжения, например, путем его мостового выпрямления или использовать другой трансформатор Т2, имеющий вторичные обмотки по 6,3…7V.
О деталях
Вместо электронно-лучевой трубки 7Л055И можно использовать многие другие, например, 5Л038И, 6Л01И, 8Л029И.
Все конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 300V. Мощность резисторов должна быть не менее отмеченной на схеме. Переменные резисторы типа СП-1, СП-2.
Все транзисторы нужно снабдить небольшими радиаторами с площадями поверхности не менее 15 см2.
Источник питания можно сделать и по другой схеме, например, традиционной — с одним трансформатором имеющим повышающие обмотки, но такие трансформаторы сейчас трудно найти в продаже.
На экран лучевой трубки наклеена пленка с нарисованной сеткой по десять линий по горизонтали и вертикали, так что посредине экрана получается крест, а крайние линии сетки отстоят от краев экрана лучевой трубки, примерно, на 3 мм.
В качестве материала для выполнения масштабной сетки используется скотч-лента, а рисунок сетки выполнен под линейку перманентной капилярной ручкой с толщиной штриха 0,3 мм.
Налаживание
Установите все переменные и подстроечные резисторы в средние положения. Включите прибор. Измерьте высокоомным вольтметром напряжения на выходе источника питания.
Они не должны отличаться от указанных на схеме более чем на 10%. После прогрева лучевой трубки на экране должна появиться горизонтальная линия (если линия оказалась вертикальной -значит нужно повернуть лучевую трубку или изменить подключение отколоняющих пластин).
Если линия не появилась попробуйте её «поискать» резисторами (439 и (440. Если вместо линии видно круглое пятно или точка, — это говорит о том что не работает развертка (ошибка в монтаже, неисправные детали).
Получив горизонтальную линию, резисторами R39, R40 и R27 установите её на середину экрана и растяните её на всю его ширину. Резисторами R18, R32, R33 добейтесь чтобы линия была яркая, узкая и четкая, одинаковой ширины по всей длине. Если растянуть линию на всю ширину экрана не удается, — подберите сопротивление R26.
Проверьте развертку линии при всех положениях S4 и R30.
Установив линию на середину экрана переключите S3 в положение «Имп.» S2 установите в положение «2V/дел.» и подайте на вход Х2 положительное напряжение от другого источника питания, равное 2,5V. Линия при этом должна отклониться вверх экрана. Если линия отклонится вниз — перемените подключение выводов 6 и 7 VL1.
Затем, переключите S2 в положение «0,5V/дел.» и подстройте R8 так, чтобы линия была на пять клеток вверх от нулевого (среднего) уровня. Затем, перемените полярность поданного на вход Х2 напряжения, — линия должна уйти вниз на пять клеток относительно нулевого уровня.
При необходимости откалибруйте входной делитель R9-R14 и развертку (подбором конденсаторов С10-С18).
Проверьте работу предварительного усилителя переменного тока на Н1.1, переключив S1 в нижнее положение (по схеме), подавая на вход Х2 переменное напряжение от лабораторного генератора. Необходимую максимальную чувствительность установить подбором сопротивления 141.
Осциллограф годится для исследования сигналов частотой до 5 МГц.
Лыжин Р. РК2005, 2.
Литература:
- П. Вендеревский. Осциллограф, ж. Р2004, 4.
- В. Дамье, В. Козинцев. Транзисторный генератор пилообразного напряжения для осциллографа. ж .Р1974, 1.
- Н. Симакин. Осциллографический пробник, ж. Р1992, 1.
- Нор С., Мартынов В. Любительский осциллограф, ж. Р1980, 9.
- Транзисторный осциллограф. ж. Р1972, 9.
И другие приставки к осциллографу . Осциллограф
В радиолюбительской практике, возможно, возникнет необходимость в других приставках к осциллографу, позволяющих проводить интересные наблюдения при разработке и налаживании электронных устройств.
Простой калибратор. Такое устройство (рис. 81) предназначено для проверки точности калибровки канала вертикального отклонения луча осциллографа, но его можно использовать и для определения амплитуды контролируемого осциллографа сигнала.
В калибраторе работает микросхема K155ЛA3, но подойдет и другая микросхема серии К155, содержащая нужное количество элементов И-НЕ (при этом все входы каждого элемента соединяют вместе). На элементах DD1.1 и DD1.2 собран мультивибратор, работающий на частоте около 1000 Гц. Подстроечным резистором R2 частоту генерации можно установить более точно. Элемент DD1.3 и резистор R3 позволяют получить скважность импульсов, равную 2.
К выходу элемента DD1.3 подключен через резисторы R4 и R5 аттенюатор (делитель напряжения), составленный из резисторов R6—R16.
Указанные на схеме сопротивления резисторов не должны отличаться более чем на ±2 %. Тогда налаживание калибратора сведется к установке подстроечным резистором R5 амплитуды сигнала 2 В на гнезде XS12.
Для уменьшения потребляемой мощности от источника питания входы четвертого элемента микросхемы К155ЛАЗ следует подключить к общему проводу калибратора.
Двухканальный разделитель. Так можно назвать это согласующее устройство (рис. 82), выполненное на двух транзисторах. Для чего оно нужно?
При демонстрации, например, школьникам в радиокружке каких-либо процессов с помощью двух осциллографов их необходимо включить параллельно. Поскольку входные сопротивления осциллографов разных марок могут быть недостаточно велики и к тому же отличаться друг от друга, осциллографы следует подключать к источнику сигнала через предлагаемый разделитель.
Исследуемый сигнал через конденсатор С1 подается на базу транзистора VT1. С эмиттерной нагрузки (резистор R3) сигнал поступает через конденсатор С3 на первый осциллограф.
С коллекторной же нагрузки (резистор R4) сигнал подается через конденсатор С2 на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT2. С его эмиттерной нагрузки сигнал подается через конденсатор С4 на второй осциллограф.
В этом устройстве можно использовать кремниевые транзисторы с коэффициентом передачи не менее 100. Режим работы транзисторов устанавливают точнее (например, по отсутствию искажений сигнала на выходах) подбором резисторов R1 и R6.
Радиочастотный преобразователь. Не всякий осциллограф позволяет наблюдать колебания частотой в несколько десятков мегагерц. Необходимость же в этом возникает, например, у радиолюбителей-коротковолновиков при налаживании любительские станций. Выход из положения — предлагаемая приставка-преобразователь (рис. 83), позволяющая наблюдать на экране сравнительно низкочастотного осциллографа форму колебаний радиочастоты.
Приставка представляет собой, по существу, приемник прямого преобразования, который преобразует исходные радиочастотные колебания в относительно низкую промежуточную частоту — ее значение лежит в пределах полосы пропускания осциллографа.
На транзисторе VT1 выполнен генератор РЧ, на VT2 — усилитель, а на VT3 — эмиттерный повторитель. Благодаря использованию каскадов на двух последних транзисторах и делителя напряжения из резистора R3 и входного сопротивления каскада на транзисторе VT3 удалось избежать искажения осциллограммы исследуемого сигнала из-за паразитной частотной модуляции частоты генератора этим сигналом.
К выходу эмиттерного повторителя подключен диодный кольцевой смеситель А1, который может быть собран, например, по приведенной на рис. 84 схеме. Выходной сигнал смесителя поступает на разъем XS3 — к нему подключают входные щупы осциллографа.
Приставку включают в разрыв цепи исследуемого сигнала, скажем, между выходом передатчика и антенной. Исследуемый сигнал через радиочастотный широкополосный (0,5…100 МГц) трансформатор Т1 и через дополнительный делитель напряжения из резисторов R10, R11 подается на смеситель.
При указанных на схеме номиналах деталей генератора его частота может быть около 25 МГц, что позволяет, например, наблюдать на экране осциллографа с полосой пропускания до 5 МГц форму радиочастотных колебаний сигналов с частотой 20…30 МГц.
Трансформатор Т1 может быть выполнен на высокочастотном ферритовом кольце (например, типоразмера К10х5хЗ с магнитной проницаемостью 50…100). Первичная обмотка представляет собой центральную жилу коаксиального кабеля, пропущенную через кольцо, а вторичная содержит 31 виток провода ПЭВ-1 0,3. Она равномерно размерена но периметру кольца.
Такой трансформатор ослабляет исследуемый сигнал примерно на 30 дБ. Полное же ослабление сигнала (с учетом делителя напряжения) составляет 50 дБ, что позволяет, например, анализировать сигнал передатчиков любительских станций мощностью до 50 Вт.
Потери в смесителе достигают 10 дБ, поэтому максимальный уровень сигнала, поступающего на осциллограф, будет составлять (в зависимости от параметров конкретного смесителя) 20…50 мВ. Соответствующую чувствительность должен иметь и используемый осциллограф.
Трансформаторы Т2 и ТЗ могут быть выполнены на таких же магнитопроводах, что, и Т1. Обмотки I у Т.2 и II у Т3 содержат по 34 витка провода ПЭВ-2 0,15, а остальные обмотки — по 68 витков с отводом от середины такого же провода.
При налаживании приставки следует снять ее амплитудную характеристику. по входному сигналу и найти тем самым максимальную амплитуду исследуемого сигнала, которую можно подавать на приставку.
Восьмиканальный коммутатор. Несмотря на сравнительную простоту схемы (рис. 85), собранный по ней электронный коммутатор позволяет наблюдать на экране осциллографа до восьми временных диаграмм в цепях цифровых устройств.
Исследуемые сигналы подают на входы интегрального коммутатора DD.1 (селектор-мультиплексор на 8 каналов со стробированием). Номер канала, сигнал которого проходит на выход коммутатора (вывод 5), определяется состоянием счетчика DD2 — на его счетный вход поступает пилообразное напряжение развертки осциллографа.
Получение восьми линий развертки на экране осциллографа обеспечивается цифроаналоговым преобразователем на резисторах R2—R4. Формируемое — им напряжение ступенчатой формы подается через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 на вертикальный вход осциллографа, куда также поступает исследуемый сигнал с выхода коммутатора DD1.
Поскольку сигналы на выходах счетчика DD2 последовательно Принимают значения, соответствующие числам 0,1,2…7, последовательно коммутируются и каналы с первого по восьмой. В результате на каждый второй цикл развертки луч на экране осциллографа скачкообразно перемещается вверх и вычерчивает временную диаграмму следующего сигнала.
В показанных на схеме положениях выключателей на экране осциллографа одновременно наблюдаются два сигнала (т. е. коммутатор становится двухканальным). При замыкании контактов выключателя SA1 коммутатор становится четырехканальным, а при установке в такое же положение и выключателя SA2 — восьмиканальным.
Чтобы линий развертки на экране осциллографа распределялись равномерно, сопротивления резисторов должны соотноситься, как 1:2:4. Изменяя это соотношение, можно сгруппировать линии развертки по 2 или по 4. Амплитуду ступенчатого напряжения регулируют подстроечным резистором R11.
С этим коммутатором желательно использовать широкополосный осциллограф, имеющий выход пилообразного напряжения развертки с напряжением, достаточным для запуска счетчика.
При отсутствии такого выхода для синхронизации изображения можно использовать один из входных сигналов — тот, у которого период колебаний наибольший.
При работе коммутатор размещают в непосредственной близости от повторяемого устройства, чтобы соединительные провода входных цепей были возможно короче.
Питают электронный коммутатор от двуполярного источника напряжением ±5 В.
7 простых схем генератора пилообразного сигнала с использованием UJT, IC 555 и транзисторов медленно увеличивается косо или по диагонали, затем, как только достигает пика, напряжение формы волны внезапно падает до нуля. Как только он упадет до нуля, он снова начнет медленно подниматься, чтобы повторить процесс.
Форма волны называется пилообразной, так как ее внешний вид напоминает зубья пилообразного режущего устройства.
Объясненной выше пилообразной волне можно было бы придать противоположную форму, сгенерировав форму волны противоположным образом.
Здесь напряжение формы волны сначала внезапно или мгновенно возрастает до пикового значения, затем медленно падает по наклонной форме, пока не достигнет нулевой отметки, а затем снова резко возрастает до пикового значения, и это повторяется.
Когда сигнал пилообразной формы запускается прерывисто, мгновенно или однократно, он называется линейно изменяющимся сигналом.
В следующей статье мы обсудим простые схемы, использующие микросхему IC 555 для генерации пилообразного сигнала, а также пилообразного сигнала.
Применение
- Пилообразные волны известны своим применением в аудиосистемах.
- Пилообразные и прямоугольные волны — это особые формы волн, используемые для генерации звуковых частот с помощью субтрактивных аналоговых и виртуальных аналоговых музыкальных синтезаторов.
- Пилообразные волны используются в импульсных источниках питания или конструкциях SMPS для реализации коррекции выходного сигнала.
- В ИС регулятора SMPS сигнал ошибки в форме контура обратной связи, извлеченный из выхода, последовательно сравнивается с высокочастотным пилообразным сигналом для получения соответствующим образом скорректированного ШИМ-сигнала на выходе схемы усилителя ошибки или компаратора.
- Пилообразный сигнал обрабатывается как сигналы вертикального и горизонтального отклонения для создания растра на экранах телевизоров или мониторов с электронно-лучевой трубкой.
- Пилообразные волны также находят свое применение в осциллографах для их горизонтального отклонения, хотя обычно они работают с электростатическим отклонением.
1) Простой генератор пилообразной формы с использованием транзисторов и UJT
Нестабильный мультивибратор — это одна из нескольких схем, которые могут быть разработаны для создания сигналов пилообразной формы. Это может, например, создать отрицательные пилообразные волны на базе транзисторов Q1 и Q2. В результате нестабильный мультивибратор можно рассматривать как еще один пилообразный генератор, работающий бесконечно.
Аналогично, в течение периодов времени включения моностабильные мультивибраторы формируют отрицательную пилообразную форму на основе Q2. Они могут работать как пилообразные генераторы с триггерной конструкцией.
Поскольку каждый из их времязадающих конденсаторов заряжается экспоненциально (а не линейно) через времязадающие резисторы, нестабильные конструкции создают несколько нелинейные пилообразные формы сигналов. Замените каждый времязадающий резистор генератором постоянного тока, способным генерировать линейные сигналы, чтобы устранить эту аномалию.
Подходящим методом создания пилообразных сигналов с положительным запуском является использование схемы синхронизации, разработанной на основе микросхемы таймера типа 555.
Тем не менее, однопереходный транзистор (UJT), включенный в схему, изображенную на рисунке ниже, можно использовать для создания свободных сигналов пилообразной формы с положительным фронтом.
UJT на самом деле представляет собой трехвыводной транзистор с соединениями эмиттера (E), базы 1 (B1) и базы 2 (B2) (132). Источник питания подключен к выводу эмиттера UJT, который прикреплен как Q1 на рисунке выше, причем его B2 положителен по отношению к B1.
Пока входное (эмиттерное) напряжение не достигнет определенного напряжения срабатывания, эмиттер UJT Q 1 продолжает обеспечивать очень высокий импеданс.
Это было время. Состояние UJT Q1 неожиданно меняется на ON. Эмиттер имеет низкий входной импеданс и потребляет много тока от входной цепи, как только он включается. Если, с другой стороны, входной ток падает ниже определенного предела, UJT Q1 немедленно возвращается в состояние высокого входного импеданса.
Рисунок 12 иллюстрирует это. Используя подстроечный потенциометр R4 и R1, конденсатор C1 постепенно заряжается до положительного напряжения питания, пока напряжение на C1 не приблизится к порогу срабатывания UJT Q1. В этот момент включается Q1, резко разряжая C1.
После разрядки C1. Q1 снова выключается. В результате C1 начинает перезаряжаться через R4 и R1. При указанном значении емкости C1 эта схема обеспечивает устойчивый, но нелинейный пилообразный сигнал, который можно регулировать от 25 Гц до 3 кГц резистором R4.
Буферный каскад эмиттерного повторителя Дарлингтона образован соединением транзисторов Q2 и Q3.
Выходной терминал, полученный с помощью ползунка потенциометра выходного уровня R5, получает сигнал пилообразной формы с низким импедансом в результате такого расположения.
2) Цепь переменного генератора пилообразной формы
На следующем рисунке ниже показана обновленная схема.
Источник постоянного тока заряжает конденсатор C1. Q1 служит в этой схеме термокомпенсированным генератором постоянного тока. Потенциометром подстроечного резистора R6 можно регулировать ток от 35 до 39.0 микроампер.
Линейный пилообразный сигнал можно использовать для создания переменного выходного сигнала с амплитудой, регулируемой потенциометром контроля уровня R7. Когда все параметры выполнены, как показано, рабочую частоту вышеприведенной схемы можно регулировать в диапазоне от 60 до 700 Гц с помощью резистора R6.
Изменяя емкость конденсатора C1, можно получить разные диапазоны частот.
Подавая внешний сигнал на UJT Q2 через входной конденсатор синхронизации C2, генератор временной развертки может быть синхронизирован с внешним сигналом. Напряжение питания (и, следовательно, точка срабатывания) UJT Q2 успешно модулируется этим внешним сигналом, максимальная амплитуда которого должна быть где-то между 200 милливольтами и 1,0 вольтами.
Заставляет UJT Q2 выпустить воздух одновременно с внешним триггерным сигналом. На частоте синхросигнала конденсатор С2 должен иметь меньшее сопротивление, чем резистор R4. Кроме того, рабочее напряжение конденсатора C2 должно быть больше, чем внешнее напряжение, на которое подается внешний сигнал. Значение C2 должно составлять всего несколько сотен пикофарад, если синхросигнал имеет прямоугольную форму с быстрой длительностью нарастания и спада.
3) Нелинейный пилообразный сигнал
Модель 555 вместе с некоторыми внешними деталями можно преобразовать в запускаемый генератор нелинейных сигналов пилообразной формы, как показано на схеме ниже.
Схема на самом деле представляет собой настроенный моностабильный мультивибратор, который активируется с помощью внешнего триггера прямоугольной формы на выводе 2, который поступает через конденсатор C2 через коллектор транзистора Q1.
Обратите внимание, что контакт 3 IC 555, который обычно используется в качестве выхода в большинстве схем на основе IC 555, здесь фактически пуст и не подключен. Напряжение вокруг C4 (который работает как компонент синхронизации) обычно равно нулю, однако в момент срабатывания IC 555 C4 начинает экспоненциально заряжаться через резистор R5 и потенциометр TIME PERIOD R6 до уровня 2/3 напряжения питания.
В течение этого периода моностабильный период подходит к концу, и напряжение на C4 резко падает до нуля.
Форма сигнала на конденсаторе C4Это дает выходной пилообразный сигнал, как показано выше, на конденсаторе C4 с помощью буферных транзисторов Q2, Q3 и потенциометра управления УРОВНЕМ R7.
Период пилообразной формы сигнала или длительность импульса можно отрегулировать от 9 микросекунд до 1,2 секунды с помощью конденсаторов для C4, как указано в таблице 1.
Максимальная функциональная частота повторения схемы составляет около 100 кГц. Генератор пилообразной формы должен активироваться или запускаться входными сигналами прямоугольной формы с быстрыми периодами нарастания и спада.
Потенциометр R6 используется для управления пилообразным периодом времени через декаду резистора, а потенциометр R7 подключен для управления амплитудой формы выходного сигнала.
4) Генератор линейных пилообразных линейных сигналов
На следующей диаграмме ниже показан индуцированный генератор линейных пилообразных или пилообразных сигналов. Конденсатор С4 заряжается через источник постоянного тока, построенный на каскаде транзистора Q1.
Выходной линейный пилообразный сигнал или пилообразный сигнал, как показано ниже, получают от ползунка потенциометра LEVEL R6, который подключен к конденсатору C4 через Q2.
Обратите внимание, что закругленные наклоны в более ранней форме волны оказались сглаженными или сжатыми в показанной ниже линейной пилообразной форме волны.
Как только конденсатор C4 заряжается от источника постоянного тока, напряжение на нем возрастает с постоянной линейной скоростью, которую можно изобразить уравнением:
Вольт/сек = ампер/фарад
Путем введения других простых значений можно получить альтернативные уравнения для скорости нарастания напряжения:
В/мкс = А/мкФ или В/мс = мА/ мкФ
Приведенные выше уравнения предполагают, что скорость нарастания напряжения может быть выше либо за счет увеличения зарядного тока для C4, либо за счет уменьшения значения C4.
Зарядный ток во второй цепи генератора пилообразной формы выше может быть изменен на величину от 9от 0 микроампер до 1 миллиампер с помощью потенциометра PERIOD R5. Это приведет к тому, что времязадающий конденсатор емкостью 0,01 микрофарад будет давать скорость нарастания от 9 вольт в миллисекунду до 100 вольт в миллисекунду.
Каждый однократный или моностабильный цикл 555 заканчивается, как только напряжение на C4 достигает 2/3 напряжения питания.
Как показано во второй схеме линейного генератора пилообразной формы, входное питание составляет 9 вольт, что означает, что 2/3 из 9 вольт будут равны 6 вольтам, а формы сигналов амплитуды пилообразного напряжения будут такими, как показано выше.
Пилообразный сигнал схемы включает периоды, которые могут варьироваться от 666 микросекунд (2/3 миллисекунды) до 60 микросекунд (6/100 миллисекунд). Можно увеличить эти интервалы за пределы вышеуказанных значений, увеличив значение C4, или значения можно уменьшить, уменьшив значение C4.
В предлагаемой схеме генератора пилообразной формы стабильные временные интервалы строго зависят от стабильного источника напряжения.
5) Генератор временной развертки осциллографа
На следующем рисунке ниже показано, как более ранняя схема линейного генератора пилообразной формы может быть адаптирована для использования в качестве генератора временной развертки осциллографа.
Его можно активировать внешними прямоугольными импульсами с помощью соответствующей схемы переключателя триггеров.
Форма выходного сигнала верхней рампы соединяется с осью X осциллографа с помощью хорошего усилительного каскада.
Схема временной развертки, показанная на рисунке выше, может координировать сигналы с частотой запуска до 150 кГц. На повышенных частотах входные сигналы следует разбивать одно- или многодекадным делителем частоты. С помощью этой стратегии временная развертка может быть реализована для просмотра входных сигналов на мегагерцовых частотах 9.0003
Селектор триггера
На рисунке ниже показана простая, но многоцелевая схема селектора триггера для генератора временной развертки, как описано в предыдущем абзаце.
Операционный усилитель IC1 (µA741) обеспечивает опорное напряжение, подаваемое на его неинвертирующий входной контакт 3 через потенциометр TRIGGER LEVEL R4. Затем сигнальное напряжение подается на инвертирующий вывод 2 IC1 через переключатель S1, резистор R1 и потенциометр SENSITIVY R3.
Переключатель S1 выбирает синфазные или противофазные входные сигналы от драйвера усилителя Y-канала для осциллографа, обеспечивая диапазон режимов положительного или отрицательного запуска.
Выход микросхемы IC 741 напрямую подключен к входу C1 схемы генератора более ранней временной развертки.
6) Упрощенная схема нелинейного генератора пилообразной формы
На следующем рисунке показана схема очень простого нелинейного генератора пилообразной формы, который на самом деле представляет собой просто нестабильный генератор Standard 555.
Тем не менее, сопротивление, которое видно между выводами 6 и 7 микросхемы IC 555, обнуляется, чтобы гарантировать, что времязадающий конденсатор C1 разряжается практически мгновенно, как только напряжение его заряда достигнет предела 2/3 В.
Пилообразный сигнал фактически извлекается через конденсатор C1, в то время как короткие отрицательные импульсы, доступные на выводе 3 IC1, не используются. Tr1 и R1 сконфигурированы как простой буферный каскад эмиттерного повторителя для достижения довольно низкого выходного импеданса за счет сигнала с высоким импедансом на C1.
Указанные значения соответствуют рабочей частоте приблизительно 1 кГц (960 Гц по расчетам).
Тем не менее, значения R1 и C1, безусловно, могут быть изменены, чтобы обеспечить новую выходную частоту.
Не рекомендуется делать R1 слишком большим, чем выбранное значение 150k, в противном случае нагрузка на схему синхронизации может помешать правильной генерации сигнала пилообразной формы.
7) Схема упрощенного линейного пилообразного генератора
На предыдущей диаграмме мы видели, как настроить нелинейный пилообразный генератор. В следующем концепте мы узнаем, как построить схему линейного генератора пилообразной формы, используя IC 555.
Линейный пилообразный сигнал можно легко создать, включив зарядку C1 от источника постоянного тока, чтобы напряжение на C1 увеличивалось с постоянной скоростью.
На следующем рисунке показана простая схема линейного генератора пилообразной формы, который является почти точной копией предыдущей конструкции, за исключением временного резистора, который был заменен стандартным источником постоянного тока через сеть Tr2.
Схема работает на частоте приблизительно 1 кГц при выбранных значениях резисторов R1 и C1. Однако можно регулировать выходную частоту, изменяя значения R1 или C1. R1 должен быть выбран в диапазоне от Ik до 47k для получения оптимального отклика схемы.
Как построить генератор пилообразной и треугольной волны
Это вторая часть из четырех частей серии руководств по генераторам волн и генераторам. Ознакомьтесь с другими статьями этой серии: генераторы прямоугольных импульсов, генераторы синусоидальных сигналов и кварцевые генераторы.
Что такое осциллятор? Это электронная схема, которая изменяет состояние с положительного на отрицательное в повторяющемся цикле без каких-либо стимулов, кроме питания постоянного тока. Это создает сигнал переменного тока на выходе. При этом осцилляторы генерируют повторяющийся сигнал желаемой формы, частоты и амплитуды, обычно используемый для управления другими схемами.
Пилообразные и треугольные осцилляторы
Теперь давайте рассмотрим треугольные и пилообразные осцилляторы.
В чем разница между ними?
Треугольная волна имеет симметричный подъем и спад формы волны, но пилообразный (также называемый пилообразным осциллятором) поднимается очень резко (в идеале мгновенно), а затем постепенно падает.
Треугольные волны содержат бесконечное количество нечетных гармоник, которые часто используются при синтезе музыкальных звуков. Они звучат как рожки и тромбоны. Иногда они используются в импульсных источниках питания и схемах управления двигателем. Они часто используются в качестве генераторов временной развертки или развертки, а также в субтрактивном синтезе звука, поскольку гармоники являются целыми числами и с ними легко работать в цифровом виде.
Пилообразные волны содержат равное количество четных и нечетных гармоник (в отличие от прямоугольных волн, которые содержат только четные гармоники, поэтому звук более музыкальный, такой как гитара и фуззбокс).
Один из самых простых способов генерировать треугольную волну — использовать релаксационный генератор, генерирующий прямоугольную волну, а затем интегрируя ее.
Релаксационные генераторы
В предыдущей статье о том, как построить генератор прямоугольных импульсов, мы узнали о релаксационных генераторах. Генераторы пилообразной и треугольной волн являются релаксационными осцилляторами.
Генератор релаксации мультивибратора. Форма волныНа приведенном выше сигнале синяя кривая показывает напряжение на одном из конденсаторов. Он заряжается до тех пор, пока не будет достигнута точка срабатывания, а затем снова разряжается. Черная кривая — это напряжение на коллекторе, которое представляет собой прямоугольную волну на выходе. В мультивибраторе в качестве выхода может использоваться любой коллектор, хотя в этой схеме мы просто мигаем попеременно двумя светодиодами.
Форма волны на конденсаторе выглядит почти как треугольная волна, которую мы ищем, за исключением того, что есть кривая наклона, когда конденсатор заряжается и разряжается. Добавление источника постоянного тока к току заряда может исправить это, но есть и лучшие способы.
Самый простой способ сгенерировать треугольную волну — это сгенерировать прямоугольную волну и затем подать ее на интегратор.
Выше показан базовый генератор прямоугольных импульсов, использующий знаменитый таймер 555 в нестабильной конфигурации. Это тоже релаксационный осциллятор. R1, R7 и C2 задают частоту, а когда R1 и R7 равны, отношение меток к пространству становится почти равным.
f = 1,44/(R1+2R7)*C = 1000 Гц
Ниже, с левой стороны, находится модифицированная схема, дающая множество вариаций отношения меток к пространству, которую мы будем использовать для улучшения нашей треугольной волны. . R6 устанавливает соотношение меток и интервалов, а R2 устанавливает частоту. Путем тщательной настройки отношения меток к интервалам постоянные времени нарастания и спада треугольной формы волны интегратора можно сделать идеально симметричными.
Справа интегратор. Выход прямоугольного генератора подается на вывод 2 интегратора, который преобразует прямоугольную волну в треугольную.
C3 устраняет все резкие переходы фронтов, в то время как R3 обеспечивает некоторую обратную связь по постоянному току для стабильности.
Генерация пилообразного или пилообразного сигнала немного сложнее, если вы хотите, чтобы время нарастания было практически нулевым, а спад был прямым линейным. В приведенной ниже схеме используется идентичный генератор прямоугольных импульсов CMOS 4011, который мы использовали в части 1 (генераторы прямоугольных импульсов). Выходной сигнал прямоугольной формы подается на вход триггера 555, сконфигурированного как моностабильный, который срабатывает каждый раз, когда на контакт 2 (триггер) поступает низкий импульс. Скорость заряда теперь контролируется источником постоянного тока (BC327), чтобы линеаризовать наклон рампы (мы упоминали об этом ранее).
