Что такое линейно изменяющееся напряжение

3.3. Генератор линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (генераторы пилообразного напряжения) – это устройства, формирующие периодический импульсный сигнал в виде линейно нарастающего (спадающего) напряжения на интервале времени, близком к периоду следования импульсов. Примерный вид линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) приведен на временной диаграмме (рис.3.14).

Линейно изменяющееся напряжение (рис.3.14) характеризуется:

• максимальным (амплитудным) значением ;
• периодом Т;
• длительностью рабочего хода ;
• длительностью обратного хода ;
• коэффициентом нелинейности , (3.19)

где и – соответственно, скорости изменения напряжения в начале и конце рабочего хода (рис.3.14).

3.3.1. Простейший глин

Схема простейшего ГЛИН приведена на рис.3.15,а. Временные диаграммы, поясняющие его работу приведены на рис.3.15,б.

Пусть на интервале времени – напряжение управления и ток базы транзистора VT так же близок к нулю. Транзистор VT закрыт и конденсатор С заряжается током, проходящим по цепи: источник питания – резистор – конденсатор – общий провод схемы, и к моменту времени напряжение на конденсаторе и равное ему выходное напряжение достигают амплитудного значения .

В момент времени на выходе генератора импульсов (ГИ) появляется импульс и напряжение управления становится больше нуля ( ). Появляется ток базы транзистора VT. Транзистор открывается и конденсатор С разрежается через открытый транзистор до напряжения близкого к нулю ( ).

В момент времени импульс на выходе ГИ заканчивается. Ток базы транзистора VT прекращается и транзистор закрывается. Начинается уже рассмотренный процесс заряда конденсатора С. Напряжение на конденсаторе С изменяется согласно выражению:

где – постоянная времени.

Определим коэффициент нелинейности напряжения на выходе ГЛИН. Рассмотрим интервал времени – . Момент времени соответствует началу рабочего хода, а момент времени – концу рабочего хода. Поэтому выражение (3.19) следует записать:

Поскольку напряжение на выходе ГЛИН равно напряжению на конденсаторе, то с учетом известного выражения , можно записать:

Подставив (3.22) в (3.21) и домножив числитель и знаменатель на С получим:

Ток конденсатора на интервале времени – равен току резистора :

где – напряжение на резисторе . Поскольку , а , то, пренебрегая напряжением на транзисторе в режиме насыщения, подставив значения напряжения на конденсаторе в (3.24) получим:

где – амплитудное значение ЛИН. Подставив последние выражения в (3.23) определим коэффициент нелинейности через параметры элементов схемы.

Генератор линейно изменяющегося сигнала

Генера́тор лине́йно изменя́ющегося сигна́ла, электронное устройство, обеспечивающее формирование электрических сигналов (например, напряжения или тока ), величина которых изменяется во времени по линейному закону; разновидность генератора электрических колебаний . Генераторы линейно изменяющегося сигнала подразделяются на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением , в которых формирование выходного сигнала инициируется поступающим на вход импульсом запуска. Генераторы линейно изменяющегося сигнала с самовозбуждением формируют периодическую последовательность импульсов, содержащих интервалы нарастания и спада; переключение (переход от одного интервала к другому) осуществляется в момент достижения сигналом заданного фиксированного уровня. Генераторы линейно изменяющегося сигнала с внешним возбуждением (в ждущем режиме) формируют линейно изменяющиеся сигналы (как правило, треугольной формы) в ответ на запускающий импульсный сигнал.

Генераторы линейно изменяющегося сигнала выполняются аналоговыми или цифровыми. В аналоговых генераторах линейный закон изменения напряжения достигается при заряде (разряде) конденсатора от источника постоянного тока либо на выходе интегратора при подаче на его вход знакопеременных прямоугольных импульсов. Линейное изменение тока создаётся в индуктивном элементе при приложении к нему постоянного напряжения. В цифровых генераторах линейно изменяющегося сигнала линейное изменение цифрового кода формируется счётчиком импульсов при постоянстве частоты повторения импульсов, подаваемых на его вход; при поступлении каждого импульса цифровой код на выходе счётчика увеличивается (или уменьшается) на единицу. Основные параметры генератора линейно изменяющегося сигнала: минимальная и максимальная величи́ны формируемого сигнала, скорость его нарастания (спада), частота повторения, максимально достижимое отношение длительностей нарастания и спада, отклонение формируемого сигнала от линейного закона. Генераторы линейно изменяющегося сигнала широко применяются в устройствах автоматического управления и системах отображения информации в качестве генераторов развёртки (например, в электронно-лучевых приборах осуществляют отклонение электронного луча по горизонтали и вертикали для развёртки изображения), а также в импульсных модуляторах , в том числе в системах управления устройствами силовой электроники .

Редакция технологий и техники

Опубликовано 1 мая 2023 г. в 09:20 (GMT+3). Последнее обновление 1 мая 2023 г. в 09:20 (GMT+3). Связаться с редакцией

Информация

Области знаний: Техника

• Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия»
  Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
  Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-84198, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 15 ноября 2022 года.
  ISSN: 2949-2076
• Учредитель: Автономная некоммерческая организация «Национальный научно-образовательный центр «Большая российская энциклопедия»
  Главный редактор: Кравец С. Л.
  Телефон редакции: +7 (495) 917 90 00
  Эл. почта редакции: secretar@greatbook.ru

• © АНО БРЭ, 2022 — 2024. Все права защищены.
• Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
  Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей.
• Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
  Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей.

Что такое линейно изменяющееся напряжение

Генератор линейного изменяющегося напряжения (ГЛИН) — импульсное устройство, в выходном напряжении которого имеется участок линейно изменяющийся во времени.

Напряжение может меняться периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы (рисунок 3.4.1, а, б).

Рисунок 3.4.1 Формы сигналов ГЛИН

Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением.

Если меняется от максимального значения к минимальному — линейно-падающим (рисунок 3.4.2).

Рисунок 3.4.3. Схема простейшего ГЛИН (а) и его временные диаграммы (б)

Если постоянная времени цепи R_кC достаточно большая, т.е. существенно больше периода следования прямоугольных импульсов, напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Заряд конденсатора Uc продолжается до поступления импульса, открывающего транзистор VT. Когда транзистор открывается, начинается процесс разряда конденсатора. Интервал времени между отпирающими импульсами должен быть достаточным для полного разряда конденсатора.

Принцип получения пилообразного напряжения заключается в медленном заряде (или разряде) конденсатора через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его разряде (или заряде) через малое сопротивление во время обратного хода. В упрощенном виде это показано на рисунке 3.4.4

Рисунке 3.4.4 Принцип получения пилообразного напряжения

Конденсатор С заряжается при разомкнутом ключе К через резистор R_з, а разряжается при замкнутом ключе К через резистору R_р.

Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на конденсатор уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения конденсатора необходимо заряжать постоянным во все время заряда током (рисунок 3.4.5)

Рисунок 3.4.5 Генератор пилообразного напряжения на транзисторах

Электронный ключ собран на транзисторе VT1 и управляется импульсами положительной полярности, транзистор VT2 — эмиттерный повторитель — является следящей связью. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс (рисунке 3.4.6), транзистор VT1 закрыт и конденсатор С3 заряжается. Ток заряда все время остается постоянным, т. к. напряжение на верхнем выводе R2 следит за напряжением на конденсаторе С3 на его нижнем выводе. Диод VD1 закроется и в течение всего времени дальнейшего формирования линейного нарастания напряжения будет закрыт. Формируется рабочий ход пилообразного напряжения.

Рисунке 3.4.6 Формирование прямого и обратного хода

При воздействии входного импульса транзистор VT1 открывается и конденсатор С3 быстро через него разряжается. Формируется обратный ход пилообразного напряжения. В это время конденсатор С2 подзаряжается до своего первоначального значения.

Разделы учебника

• 1. Элементы электроники
• 1.1 Пассивные элементы
• 1.1.1 Резисторы
• 1.1.2 Конденсаторы
• 1.1.3 Катушка индуктивности
• 1.2. Полупроводниковые диоды
• 1.3 Транзисторы
• 1.4 Тиристоры
• 1.5 Интегральные микросхемы
• 1.6 Индикаторные приборы
• 1.7 Фотоэлектрические приборы
• 2. Усилители электрических сигналов
• 2.1 Усилители на биполярных и полевых транзисторах
• 2.2 Усилители мощности
• 2.3 Усилители постоянного тока
• 2.4 Интегральные и операционные усилители
• 3. Электронные генераторы электрических сигналов
• 3.1 Автогенераторы
• 3.2. Мультивибраторы
• 3.3 Блокинг-генераторы
• 3.4. Генераторы линейного изменяющегося напряжения (ГЛИН)

2. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной формы (рис. 26.3, а). Напряжение пилообразной формы используется для создания разверток на экранах осциллографов, телевизоров и др. индикаторов, для преобразователей аналоговых величин в цифровые, преобразователей амплитуда — время и для др. целей. Рассмотрим принцип формирования такого напряжения.

Для формирования линейно изменяющегося напряжения чаще всего используют заряд или разряд конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 26.3, б. Она включает в свой состав идеальный источник тока I. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает по линейному закону:

В момент времени t = t₁ ключ К замыкается и конденсатор разряжается через резистор R и ключ К по экспоненциальному закону.

Разработано много схем ГЛИН. Большими преимуществами обладают схемы на ОУ. В них в качестве источника постоянного тока применяются интеграторы на ОУ, а в качестве ключа – компараторы.

Схема интегратора на ОУ приведена на рис. 26.3, в. Очевидно, что ; . Так как , то , причем,

Мы уже установили, что для ОУ напряжение между входами . Поэтому U_вых = U_C, причем,

Если напряжение на входе оу постоянное, то на его выходе формируется линейно изменяющееся напряжение

причем знак приращения обратный знаку входного напряжения.

Схема ГЛИН с внешним управлением приведена на рис. 26.4, а. На рис. 26.4, б приведены диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Схема состоит из компаратора и интегратора. Допустим, что в исходном состоянии напряжение на входе отсутствует: U_вх = 0. Под воздействием напряжения Е₀ компаратор находится в состоянии отрицательного насыщения – U_вых.m. Это напряжение поступает на вход интегратора и вызывает заряд конденсатора С до напряжения .

Пусть в момент времени t₁ на прямой вход поступает прямоугольный импульс, амплитуда которого U_m > E₀. Компаратор переходит в положительное насыщение, т. е. напряжение на его выходе . Это напряжение является входным для интегратора. Открывается диод D₁, начинается перезаряд конденсатора С до . Напряжение U_ГЛИН убывает по линейному закону в соответствии с выражением:

По окончании импульса компаратор регенеративно переходит в отрицательное насыщение (под воздействием Е₀). Диод D₁ закрывается. Открывается диод D₂. Начинается перезаряд конденсатора С до напряжения . Напряжение U_ГЛИН возрастает по линейному закону

Максимального значения оно достигает за время t = R₂C. Если пауза , то ГЛИН переходит в устойчивое состояние ( ) до поступления следующего импульса управления.

Кроме рассмотренной схемы, часто применяются ГЛИН в автоколебательном режиме. Чтобы получить такой ГЛИН, достаточно в схему рис. 26.4, а ввести ОС – R₃, R₄ на прямой вход компаратора с выходов компаратора и интегратора (пунктирная линия на рис. 26.4, а). Напряжение обратной связи U_ОС будет определяться напряжением на выходе компаратора и напряжением на выходе интегратора U_ГЛИН. На рис. 26.4, в приведены графики напряжений, поясняющие работу генератора.

Пусть в момент времени t₁ = 0 компаратор перешел в состояние отрицательного насыщения. Его . Открывается диод D₂, и на интеграторе начинается формирование линейно нарастающего напряжения U_ГЛИН. Напряжение обратной связи U_ОС найдем методом суперпозиции:

где — линейно нарастающее напряжение U_ГЛИН.

Видим, что U_ОС также линейно нарастает. В момент времени t₂ наступает равенство U_OC = Е₀. Компаратор переключается, напряжение его на выходе скачком изменяется до . Напряжение интегратора скачком измениться не может. Поэтому напряжение обратной связи скачком увеличивается до U_OCm, причем

Напряжением открывается диод D₁. На интеграторе начинается формирование линейно падающего напряжения. Напряжение U_OC также