Генератор пилообразного напряжения

Генератор пилообразного напряжения

Устройство, схема которого изображена на рис. 1, является автоколебательным генератором линейно нарастающего напряжения [1]. Это напряжение образуется за счет зарядки конденсатора через резистор и последующей его быстрой разрядки. Линеаризация прямого хода пилообразного напряжения достигается путем стабилизации тока зарядки времязадающего конденсатора. Длительность обратного хода сокращена благодаря применению туннельного диода.

Принцип работы генератора пилообразного напряжения (ГПН) поясняет его упрощенная схема, приведенная на рис. 2,а. Транзисторы VT1, VT2 включены по схеме так называемого составного истокового повторителя со следящей обратной связью [2], обладающего коэффициентом передачи напряжения Кu, близким к единице. Изменение напряжения на выходе повторителя с большой точностью повторяет изменение напряжения на его входе, т. е. на конденсаторе С1, поэтому разность напряжений на выводах резистора R1 сохраняется постоянной при росте напряжения на конденсаторе. Следовательно, ток, текущий через этот резистор, также остается постоянным. Конденсатор заряжается этим постоянным током, и напряжение на нем растет по линейному закону.

Повторитель на транзисторах VT1 и VT2 обладает очень большим входным сопротивлением, поэтому он практически не нагружает времязадающий конденсатор С1. В то же время у него малое выходное сопротивление. Транзистор VT2 является усилителем мощности, благодаря чему при использовании высокочастотного транзистора можно получить большую скорость нарастания напряжения пилы, достигающую многих десятков В/мкс даже при работе на значительную емкостную нагрузку.

Диапазон изменения скорости нарастания напряжения, достигаемый в описываемом ГПН, очень широк. Длительность прямого хода может изменяться от 0,1 мкс и менее до десятков минут и даже часов. Важно, что большие длительности развертки достигаются при малых номиналах резисторов и конденсаторов. Объясняется это тем, что разность напряжений на концах резистора R1 (рис. 2, а), определяющая значение зарядного тока, невелика (порядка 1 В), поэтому и сам зарядный ток мал.

ГПН отличается высокой температурной стабильностью. Изменение коэффициента передачи Кu не превышает ±1% при изменении окружающей температуры от —40 до +100°С [2]. Высокая стабильность объясняется не только наличием сильной отрицательной обратной связи, но и частичной взаимной компенсацией положительного температурного коэффициента h21э биполярного транзистора и отрицательного температурного коэффициента S полевого транзистора.

Некоторые дополнительные возможности дает устройство, упрощенная схема которого приведена на рис. 2, б (отличается от рис. 2,а дополнительным резистором R3).

Здесь коэффициент передачи напряжения в точке А где К_U — коэффициент передачи напряжения в устройстве по схеме рис. 2, а.

Сопротивление резистора R3 можно подобрать таким, чтобы K_UA=1. Тогда, если считать все элементы идеальными, напряжение пилы будет линейным. Более того, имеется возможность, увеличивая сопротивление резистора R3, сделать К_UA>1 и скомпенсировать влияние на линейность развертки неидеальности конденсатора и разного рода утечек. При K_UA>1 скорость нарастания напряжения пилы за время периода развертки может не уменьшаться как обычно, а возрастать, и даже весьма значительно, так как К_UA может быть намного больше единицы, в результате чего линия развертки будет близка к параболе.

Разрядить конденсатор по окончании прямого хода можно замыканием ключа SA1 или SA2 (рис. 2, а). Во втором случае конденсатор разряжается через открытый р-n переход затвор-исток полевого транзистора.

В предлагаемом ГПН (рис. 1) функцию ключа выполняет транзистор VT1, управляемый туннельным диодом VD2. Минимальная длительность обратного хода составляет 0,2...0,3 мкс и определяется в основном временем открывания и закрывания транзистора VT1. Время переключения туннельного диода очень мало (меньше 0,1 мкс) и может не учитываться. Если предотвратить насыщение транзистора, что достигается небольшим усложнением устройства [3], длительность обратного хода можно еще сократить.

Ток максимума туннельного диода очень стабилен и мало зависит от температуры [4]. Следовательно, учитывая отмеченную выше стабильность истокового повторителя, можно заключить, что параметры предлагаемого ГПН (при условии использования стабильных резисторов и конденсаторов) будут также стабильны.

ГПН имеет двенадцать фиксированных длительностей прямого хода развертки tnx: от 0,3 мкс до 0,1 с. Зависимость tnx от значения постоянной времени RC, снятая экспериментально, приведена на рис. 3. Амплитуда напряжения развертки равна примерно 10 В и изменяется по диапазону не более чем на 5%.


Рис. 3. Зависимость прямого хода развертки tnx от постоянной времени RC

В ГПН не предусмотрено плавное изменение длительности прямого хода. Практика показала, что в нем нет необходимости, так как фиксированные значения длительностей расположены близко друг к другу, а примененный в ГПН способ синхронизации весьма эффективен. Введение плавной перестройки, кроме усложнения конструкции, ухудшает стабильность и надежность работы устройства, снижает точность калибровки развертки.

Синхронизация ГПН осуществляется фронтом, отрицательного или спадом положительного импульса напряжения. Амплитуда импульса синхронизации должна быть не менее 1 В. Эпюры напряжений в различных точках (см. рис. 1) устройства приведены на рис. 4.


Рис. 4. Эпюры напряжений в различных точках генератора

ГПН, собранный из исправных, предварительно проверенных деталей, начинает работать сразу после включения напряжения питания. Возможно, понадобится подгонка амплитуды и длительности пилообразного напряжения. Делают это следующим образом. Поскольку туннельный диод VD2 переключается при одном стабильном значении тока, то соответствующим подбором резистора R12 можно пропорционально изменить амплитуду пилы. Одновременно пропорционально изменяется длительность прямого хода, так как скорость нарастания напряжения остается постоянной. Изменить длительность прямого хода, не изменяя амплитуду, можно подбором резистора R10. При этом изменяется разность напряжений на зарядном резисторе R2—R9, а следовательно, и зарядный ток и скорость зарядки времязадающего конденсатора С1—СЗ.

Транзистор ГТ311И (VT1) можно заменить транзистором той же серии с любым другим буквенным индексом, транзисторы КТ326Б (VT3, VT4) — транзисторами КТ326А или КТ345Б, В. Полевой транзистор КП303Д (VT2) может быть заменен на транзистор того же типа с любым индексом или КП307Г. При этом может потребоваться подобрать резисторы R10, R12, чтобы длительность прямого хода и амплитуда пилы остались неизменными. Вместо диода КД512А (VD1) можно поставить любой другой кремниевый высокочастотный диод, вместо туннельного диода 3И306Ж (VD2) — диоды 3И306К, 3И301Б или АИ301Б. Конденсаторы С1—СЗ керамические с отрицательным ТКЕ групп М330...470. Их нужно подобрать по емкости. Отклонения от номиналов, указанных на схеме, могут быть до 10%, но, желательно, в одну сторону. Остальные конденсаторы любые. Резисторы МЛТ, ОМЛТ, МТ, С2-23 и др. Резисторы R2 — R9 надо подобрать по сопротивлению. При этом допустимы любые отклонения от номинала при условии, что произведение RC данной пары (например, R2C1, R3C1 и т. д.) соответствует по графику на рис. 3 выбранному фиксированному значению tnx. Резисторы R2—R9 удобно составлять из двух последовательно соединенных резисторов меньшего сопротивления. Это значительно облегчает процесс их подбора. При необходимости вся шкала длительностей развертки может быть сдвинута в ту или другую сторону подбором резисторов R10, R12.

ГПН предназначен для использования в качестве генератора горизонтальной развертки простого осциллографа. Однако он имеет достаточно хорошие параметры, чтобы работать в осциллографе более высокого класса. Для реализации этой возможности в его работу нужно ввести режим ждущего запуска развертки, что достигается внесением небольших изменений в ГПН. Эти изменения не принципиальны, и для подготовленного радиолюбителя не составит труда их осуществить.

Упрощенная схема улучшенного генератора горизонтальной развертки приведена на рис. 5. Здесь DD1 — любой высокочастотный симметричный двухвходовый триггер, управляемый импульсами напряжения; ГПН — генератор, собранный по схеме рис. 1, но без транзистора VT4, резисторов R13, R14 и конденсатора С5 (нумерация деталей в левой части схемы продолжает нумерацию деталей ГПН).

Литература

1. Бондарев В. А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения.— М.: Энергоатомиздат, 1988.

В помощь радиолюбителю. Выпуск 115

http://digteh.ru/digital/Indic.php