Генератор импульсов треугольной формы

Linear Technology LTC1542

Формирование идеальных треугольных импульсов предполагает бесконечное значение d 2 V/dt 2 , отчего для генерации таких сигналов требуются очень широкие полосы пропускания. В то же время микромощные схемы имеют довольно узкую полосу пропускания, из-за чего генерация хороших треугольных импульсов с такой схемой становится проблематичной. На Рисунке 1 показаны два способа формирования треугольных импульсов. В схеме релаксационного генератора на одном компараторе используется экспоненциальная аппроксимация треугольника, определяемая природой RC-цепи (Рисунок 1а). Если же вам потребуется более хорошая линейность, повысить качество аппроксимации позволит добавление интегратора (Рисунок 1б). Обе схемы содержат гистерезисную петлю обратной связи, а также еще один контур обратной связи с RC-цепочкой или интегратором, содержащим резистор R₃ и конденсатор C₁. Гистерезисная цепь обратной связи постоянно переключает направление изменения выходного напряжения RC-интегратора и устанавливает новое значение конченого напряжения, а RC-интегратор задает скорость этого изменения. Эти схемы надежны и находят широкое применение.

Рисунок 1. Этим популярным способам формирования треугольных импульсов присущи
серьезные недостатки, особенно тогда, когда от вашей конструкции
требуется низкое энергопотребление.

Проблемы всплывают тогда, когда вам одновременно требуются сверхнизкое потребление мощности и относительно высокая рабочая частота. Такой вариант предъявляет к микромощному операционному усилителю (ОУ) исключительные требования. Учтите, что каждый раз, когда выходное напряжение компаратора меняет направление, происходит мгновенный бросок тока, вытекающего из выхода ОУ или втекающего в него через две цепи обратной связи. Такая ситуация была бы приемлемой, если бы суммарный ток этого броска не был больше, чем общий ток питания ОУ. В результате получается сигнал чудовищной формы с огромными выбросами, возникающими из-за того, что операционный усилитель не в состоянии обеспечить мгновенный ток, достаточный для переключения выхода. Увеличив сопротивление резистора и уменьшив емкость конденсатора, вы сможете немного улучшить ситуацию. Однако улучшение будет лишь частичным, поскольку одновременно схема станет более шумной и более восприимчивой к помехам.

Но не унывайте, простое и недорогое решение у вас под рукой. Почему бы не возложить обеспечение схемы мгновенным током на КМОП инвертор, и позволить операционному усилителю заниматься только точной линеаризацией тока? Этот метод иллюстрируется Рисунком 2. Схема практически такая же, как на Рисунке 1б, за исключением того, что операционному усилителю больше не нужно отдавать большой мгновенный ток. Теперь вместо резкого изменения полярности на вершинах треугольников выходной ток ОУ медленно пересекает ноль на уровне середины напряжения источника питания. Форма импульсов становится намного лучше, а общий ток потребления при частоте сигнала 280 Гц составляет всего 6.2 мкА.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

напряжение питание………………………….220 В, 50 Гц.

За основу разработанной схемы функционального генератора, приведенной ниже, была взята схема из [1]:

Генератор выполнен по классической схеме: интегратор + компаратор, только собран на высокочастотных компонентах.

Интегратор собран на ОУ DA1 AD8038AR, имеющем полосу пропускания 350 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 425 В/мкс. На DD1.1, DD1.2 выполнен компаратор. Прямоугольные импульсы с выхода компаратора (выв. 6 DD1.2) поступают на инвертирующий вход интегратора. На VT1 выполнен эмиттерный повторитель, с которого снимаются импульсы треугольной формы, управляющие компаратором. Переключателем SA1 выбирают требуемый диапазон частот, потенциометр R1 служит для плавной регулировки частоты. Подстроечным резистором R15 устанавливается режим работы генератора и регулируется амплитуда треугольного напряжения. Подстроечным резистором R17 регулируется постоянная составляющая треугольного напряжения. С эмиттера VT1 напряжение треугольной формы поступает на переключатель SA2 и на формирователь синусоидального напряжения, выполненный на VT2, VD1, VD2. Подстроечным резистором R6 выставляются минимальные искажения синусоиды, а подстроечным резистором R12 регулируется симметрия синусоидального напряжения. С целью уменьшения коэффициента гармоник верхушки треугольного сигнала ограничиваются цепями VD3, R9, C14, C16 и VD4, R10, C15, C17. С буфера DD1.4 снимаются импульсы прямоугольной формы. Сигнал, выбранный переключателем SA2, подаётся на потенциометр R19 (амплитуда), а с него – на выходной усилитель DA5, выполненный на AD8038AR. На элементах R24, R25, SA3 выполнен выходной аттенюатор напряжения 1:1 / 1:10.

Для питания генератора использован классический трансформаторный источник с линейными стабилизаторами, формирующими напряжения +5В, ±6В и ±3 В.

Для индикации частоты генератора была использована часть схемы от уже готового частотомера, взятая из [2]:

На транзисторе VT3 выполнен усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, с выхода которого сигнал поступает на вход микроконтроллера DD2 PIC16F84A. МК тактируется от кварцевого резонатора ZQ1 на 4 МГц. Кнопкой SB1 выбирается по кольцу цена младшего разряда 10, 1 или 0.1 Гц и соответствующее время измерения 0.1, 1 и 10 сек. В качестве индикатора использован WH1602D-TMI-CT с белыми символами на синем фоне. Правда угол обзора у этого индикатора оказался 6:00, что не соответствовало его установке в корпус с углом обзора 12:00. Но эта неприятность была устранена, как будет описано ниже. Резистор R31 задаёт ток подсветки, а резистором R28 регулируется оптимальная контрастность. Следует отметить, что программа для МК была написана автором [2] для индикаторов типа DV-16210, DV-16230, DV-16236, DV-16244, DV-16252 фирмы DataVision, у которых процедура начальной инициализации по-видимому не подходит к индикаторам WH1602 фирмы WinStar. В результате после сборки частотомера на индикатор ничего не выводилось. Других малогабаритных индикаторов в продаже на тот момент не было, поэтому пришлось вносить изменения в исходник программы частотомера. Попутно в ходе экспериментов была выявлена такая комбинация в процедуре инициализации, при которой двухстрочный дисплей с углом обзора 6:00 становился однострочным, причём достаточно комфортно читаемым при угле обзора 12:00. Выводимые в нижней строке надписи-подсказки о режиме работы частотомера стали не видны, но они особо и не нужны, т.к. дополнительные функции этого частотомера не использованы.

Конструктивно функциональный генератор выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 110х133 мм, разработанной под стандартный пластиковый корпус Z4. Индикатор установлен на палате вертикально на двух уголках. С основной платой он соединён при помощи шлейфа с разъёмом под IDC-16. Для соединения высокочастотных цепей в схеме использован тонкий экранированный кабель. Вот фото генератора со снятой верхней крышкой корпуса:

Перечень элементов и чертёж платы в Layout5 прилагаются.

После первого включения генератора необходимо проконтролировать питающие напряжения, а также установить подстроечным резистором R29 напряжение -3В на выходе DA7 LM337L. Резистором R28 устанавливается оптимальная контрастность индикатора. Для настройки генератора необходимо подключить осциллограф к его выходу, переключатель SA3 установить в положение 1:1, SA2 – в положение, соответствующее напряжению треугольной формы, SA1 – в положение 100…1000 Гц. Резистором R15 добиваются устойчивой генерации сигнала. Переместив движок резистора R1 в нижнее по схеме положение, подстроечным резистором R17 добиваются симметричности треугольного сигнала относительно нуля. Далее переключатель SA2 необходимо перевести в положение, соответствующее синусоидальной форме выходного сигнала, и подстроечными резисторами R12 и R6 добиться соответственно симметричности и минимальных искажений синусоиды.

Вот что получилось в итоге:

Треугольник 1 Мгц:

Треугольник 4 Мгц:

Следует отметить, что на частотах свыше 4 Мгц на треугольном и прямоугольном сигналах начинают наблюдаться искажения, связанные с недостаточной полосой пропускания выходного усилителя. При желании этот недостаток можно легко устранить, если перенести усилитель выходного каскада DA5 в цепь от истока VT2 к SA2, т.е. использовать его как усилитель синусоидального сигнала, а вместо выходного усилителя применить повторитель на ещё одном ОУ AD8038AR, пересчитав соответственно сопротивления делителей треугольного (R18, R36) и прямоугольного (R21, R35) сигналов на меньший коэффициент деления.

1) Широкодиапазонный функциональный генератор. А.Ишутинов. Радио №1/1987г.

2) Экономичный многофункциональный частотомер. А.Шарыпов. Радио №10-2002.

Генератор треугольного сигнала. Принципиальная схема. Расчет. (10+)

Генератор треугольного сигнала

Нередко возникает необходимость в сигналах специальной формы. В этой статье остановимся на треугольном сигнале. Треугольный сигнал – сигнал, в котором напряжение линейно нарастает до некоторого максимального, потом линейно убывает до некоторого минимального. Дальше процесс повторяется.

Применение генераторов треугольных сигналов. Поход к проектированию

Треугольный сигнал применяется, например, для получения синусоиды путем, сначала, ограничения по амплитуде (получается такая трапеция), потом фильтрации гармоники нужной частоты. Трапециевидное напряжение, полученное из треугольного нередко применяется в качестве образца для формирования модифицированной синусоиды на выходе силовых преобразователей напряжения (инверторов). Это очень удачное решение, так как трапециевидный сигнал содержит очень низкий уровень старших гармоник, которые опасны для нагрузок. Почти все нагрузки, рассчитанные на синусоиду, прекрасно работают и с трапецией.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Генератор треугольных импульсов строится обычно на основе релаксационного генератора. На конденсаторе релаксационного генератора формируется пилообразное напряжение. Это почти треугольник, за исключением того, что напряжение нарастает и убывает не линейно, а по экспоненциальному закону. Напряжение на конденсаторе изменяется по мере похождения электрического тока. Если этот ток фиксирован, то получится треугольник. В релаксационном генераторе ток зависит от напряжения на конденсаторе, так как формируется резистором, подключенным между питанием и одним выводом конденсатора. Так что по мере зарядки конденсатора напряжение на резисторе убывает, а значит убывает зарядный ток.

Стандартный вариант генератора

Решение простое. Нужно подключить конденсатор не через резистор, а через источник, стабилизатор тока, чтобы сила тока не зависела от напряжения.

На приведенной схеме так и сделано. Недостатками этой схемы является низкая нагрузочная способность и сложность реализации хорошего источника тока с двумя выводами (двухполюсника). Нагрузочная способность этой схемы совсем плохая. Ее можно нагружать только на очень высокоомную нагрузку, не имеющую емкостной и индуктивной составляющих. В противном случае наблюдается искажение сигнала или срыв генерации.

Резисторы R1 и R2 – 300 кОм. Они образуют делитель напряжения. Микросхема D1 – операционный усилитель с высоким входным сопротивлением. Диоды VD1-VD4 – любые детекторные. Микросхема D2 – интегральный или какой-то еще источник тока

Расчет частоты и номиналов элементов стандартного генератора треугольных импульсов

[Сопротивление резистора R3, кОм] = [150, кОм] * [Максимальный размах выходного напряжения операционного усилителя, В] / ([Размах выходного треугольного напряжения, В] + [Напряжение насыщения диода, В] * 4) – [150, кОм]

150 кОм – величина, полученная из соображения, что делитель напряжения из двух резисторов по 300 кОм между шинами питания равнозначен резистору 150 кОм, подключенному к общему проводу.

[Размах выходного треугольного напряжения, В] – разница между максимальным и минимальным значениями напряжения генератора.

[Максимальный размах выходного напряжения операционного усилителя, В] – он зависит от напряжения питания. Обычно операционный усилитель не может формировать на выходе напряжение питания. Остается некоторое падение напряжения. Это может быть несколько вольт.

[Частота генератора, кГц] = (1/2) * [Ток источника тока, мА] * [Размах выходного треугольного напряжения, В] / [Емкость конденсатора C1, мкФ]

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Релаксационный генератор пилообразного напряжения, сигнала, пилы. Схем.
Схемы и расчет релаксационных генераторов, формирующих пилообразное напряжение.

Резонансный фильтр, преобразователь меандр – синус, синусоида. Отзыв, .
Практический опыт повторения конструкции преобразователя меандра в синусоиду на .

Прямоходовый однотактный импульсный преобразователь напряжения, источн.
Как сконструировать прямоходовый импульсный преобразователь. В каких ситуациях о.

Светомузыка, светомузыкальная приставка своими руками. Схема, конструк.
Как самому собрать свето-музыку. Оригинальная конструкция свето-музыкальной сист.