Импульсные генераторы

Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения.

Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Генераторы прямоугольных импульсовделятся на мультивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Автоколебательные мультивибраторымогут быть построены на дискретных, логических элементах или операционных усилителях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рис. 11.12.

Рис. 11.12 . Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ

В данной схеме с помощью резисторов R₁иR₂введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может быть равно либо +Е_пит, либо –Е_пит, где Е_пит– напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжениеU₊₁, или напряжениеU₊₂. Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, перезаряжается с постоянной времениτ=RC. Период следования импульсов Т определяется выражением

.

Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные импульсы напряжения.

Блокинг-генераторыиспользуют для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч. Основным элементом таких генераторов является импульсный трансформатор (рис. 11.13).

Рис. 11.13. Автоколебательный блокинг-генератор

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режимах или в режиме синхронизации. Во время паузы (выходное напряжение отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по цепи E–R–W₂с постоянной времениτ₁=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 трансформатораW₂), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения. При этом конденсатор С перезаряжается по цепиW₂–C– входное сопротивление транзистораr_вхс постоянной времениτ₂=r_вх·С. При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце заряда транзистор выходит из насыщения и закрывается. После этого энергия, запасенная в индуктивности, разряжается на нагрузку. Так какr_вх<<R, то время нахождения транзистора в открытом состоянииt_u, а следовательно, и длительность импульса на нагрузке значительно меньше периода следования импульсов.

Генератор 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 (рис. 11.14).

Рис. 11.14. Линейно изменяющееся напряжение

На рис. 11.14 приняты следующие обозначения: U₀–начальный уровень,U_m–амплитуда ЛИН, Т_р–время рабочего хода, Т₀ –время обратного 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 током. Основой ГЛИН (рис. 11.15) является емкость, через которую от источника постоянного тока ИТ протекает постоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом устройстве КУ напряжение на емкости определяется выражением

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

ГЛИН могут работать либо в ждущем (рис. 11.15,а), либо в автоколебательном режиме (рис. 11.15,б). ГЛИН в автоколебательном режиме формирует ЛИН регулярно, а для получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме необходим внешний импульс напряженияU_вх.

Рис. 11.15. Генераторы линейно изменяющихся напряжений,

работающих в ждущем (а) и автоколебательном (б) режимах

Все ГЛИН можно разделить на три типа:

а) с интегрирующей RC-цепочкой (рис. 11.16);

б) с токостабилизирующим двухполюсником (рис. 11.17);

в) с компенсирующей обратной связью (ОС) (рис. 11.18).

Рис. 11.16. ГЛИН на основе транзисторного ключа

(с интегрирующей RC-цепочкой)

До момента времени t₁транзисторный ключ находится в режиме насыщения, т.е. напряжениеU_кэ, а значит, и напряжениеU_вых,равны нулю. При подаче в момент времениt₁запирающего импульса напряжения транзистор входит в режим отсечки, и емкость С заряжается от источника Е_кчерез резисторR_к, причем напряжение на емкости стремится к уровню Е_к. В момент времениt₂транзистор вновь входит в режим насыщения, и емкость через малое сопротивление промежутка коллектор–эмиттер транзистора разряжается.

Рассмотрим принцип построения ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником, обеспечивающим протекание через него постоянного тока независимо от приложенного напряжения (рис. 11.17). Простейшим токостабилизирующим элементом является транзистор. При постоянном токе базы (например, i_бэ), даже при значительном уменьшении напряженияu_эк между эмиттером и коллектором (например, отU₂доU₁) коллекторный ток транзистора уменьшается незначительно.

Рис. 11.17. ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником

Недостатком данной схемы является то, что при подключении к выходу (т.е. к емкости С) сопротивления нагрузки искажается линейность выходного напряжения.

Рассмотрим ГЛИН с компенсирующей ОС (на основе ОУ) (рис. 11.18). В момент времени t₁ ключКразмыкается и осуществляется и осуществляется прямой ход, а в момент времениt₂ключ замыкается, емкостьС разряжается и на выходе устанавливается нулевое напряжения. ЕмкостьСзаряжается постоянным током, а значит, напряжение на ней (как и напряжениеU_вых) изменяется по линейному закону (рис. 11.18,б). Компенсирующее напряжениеU_кповторяет напряжение на емкостиU_cпри размыкается ключа и заряде емкости от источникаU. Поскольку компенсирующее напряжение включено встречно по отношению к напряжению на емкости, то напряжение, приложенное к резисторуR, все время постоянно и равноU.

Рис. 11.18. ГЛИН с компенсирующей обратной связью

Протекающий через резистор Rток определяется выражением

i_R=(E-U_вх)/R.

Если ОУ близок к идеальному, (К→ ∞,U_вх→ 0,i_–→ 0), тоi_R=E/R=const. Тогда выходное напряжение определяется выражением

.