Задание 4.

Генератор линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения

на операционном усилителе.

Ответ:

Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для создания напряжения пилообразной формы. Формирование линейно изменяющегося напряжения основано на чередовании во времени процессов заряда и разряда конденсатора. В зависимости от времени фронта и среза импульсов линейно изменяющегося напряжения различают генераторы треугольного и пилообразного напряжений.

На рис.7 показаны схема генератора треугольного напряжения и временные диаграммы входных и выходных напряжений. Схема представляет собой интегратор напряжения на основе ОУ, на вход которого поступает прямоугольное напряжение U_вх типа "меандр". Выходное напряжение интегратора изменяется во времени по закону

(1)

Поскольку на временном интервале t₀ – t₁ входное постоянное положительное напряжение u_вх поступает на инвертирующий вход ОУ, то выходное напряжение U_вых изменяется, уменьшаясь во времени по линейному закону:

U_вых (t) = U_{вх max} t/RC, (2)

где U_{вх max} – амплитуда входного напряжения.

а) б)

Рис.7. Генератор треугольного напряжения (а),

временные диаграммы (б)

В момент времени t₁ входное напряжение меняет знак и становится отрицательным, поэтому выходное напряжение начинает линейно возрастать. В момент времени t₂ входное напряжение снова меняет знак, и в дальнейшем все процессы повторяются.

При проектировании генератора треугольного напряжения следует помнить, что в схеме интегратора операционный усилитель работает в режиме усиления и не должен выходить в режим насыщения, т. е. выходное напряжение ОУ не должно доходить до величины U_{вых max} (рис.7, б), характерного для данного операционного усилителя.

Из выражения (2), связывающего входное и выходное напряжения интегратора, следует, что скорость изменения выходного напряжения (U_вых/t) тем больше, чем больше амплитуда входного напряжения и меньше постоянная времени RC интегратора.

Поскольку конденсатор стремится зарядиться до максимального значения U_{вых max}, то из временной диаграммы (рис.7, б) видно, что амплитуда выходного напряжения U_{вых m} при постоянном периоде (частоте) входного напряжения U_вх (t)зависит от скорости изменения выходного напряжения. Чем больше значение U_вых/t (сигнал 2, обозначен пунктиром), там больше значение амплитуды сигнала, в пределе, достигающее значения U_{вых max}.

Схема генератора пилообразного напряжения показана на рис.8, а. Она отличается от схемы генератора треугольного напряжения тем, что на вход интегратора напряжения включен источник постоянного напряжения U₀, а к конденсатору С подключен шунтирующий (импульсно закорачивающий его контакты) ключ К.

а) б)

Рис. 8. Генератор пилообразного напряжения (а), временные диаграммы работы (б)

Выходное напряжение U_вых генератора под действием напряжения U₀ изменяется во времени по закону (2), где U_{вх max} = U₀. Ключ К под действием входного напряжения U_вх периодически разряжает конденсатор до нуля.

Период Т следования импульсов разряда конденсатора определяет период импульсов пилообразного напряжения (рис.8, б). Амплитуда импульсов пилообразного напряжения U_{вых m} зависит от крутизны фронта импульсов. Крутизна фронта импульсов так же, как и у генератора треугольных импульсов, определяется постоянной времени RC и напряжением U₀ на входе интегратора.

Пилообразные импульсы положительной полярности можно получить, если изменить полярность напряжения U₀ на входе интегратора (8, а).

В качестве ключа К обычно выступают управляемые транзисторные ключи.