Есть конспект?
Пришлите нам!

3.2. Генераторы несинусоидальных колебаний

 

Если выходные колебания генератора имеют форму, отличную от синусоиды, то генератор называется генератором несинусоидальных колебаний. Наиболее часто используются генераторы прямоугольных колебаний. Соответствующие генераторы получили название релаксаторов.

Наиболее важным классом релаксационных генераторов являются мультивибраторы. Мультивибраторы делятся на следующие основные группы:

- астабильные мультивибраторы (АМВ), которые не имеют ни одного устойчивого состояния;

- моностабильные мультивибраторы (ММВ), которые имеют одно устойчивое состояние;

- бистабильные мультивибраторы (БМВ), имеющие два устойчивых состояния.

Каждый из мультивибраторов можно представить, как двухкаскадный усилитель, выход которого соединяется с входом (рис.3.2).

Рис.3.2. Двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью.

                (Видом сопротивлений Zсв1 и Zсв2 определяется класс мультивибратора.)

 

 

Обзор мультивибраторов.

Астабильный мультивибратор. Если Zсв1 и Zсв2 – конденсаторы, а EБ = 0, то мы получим астабильный мультивибратор. Так как связь между каскадами осуществляется только по переменному току, то мультивибратор не имеет ни одного устойчивого состояния, а выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов.

Основные случаи его применения:

- задающий генератор. Можно использовать в качестве синхрогенератора, который вырабатывает импульсы на каждом из коллекторных выходов.

- генератор переменной частоты. Частоту можно перестраивать, изменяя EБ или изменяя параметры элементов в базовой цепи.

- делитель частоты;

- генератор гармоник.

На рис.3.2.2 показаны основные типы мультивибраторов.

Рис.3.2.2. Основные типы мультивибраторов.

 

1.      Моностабильный мультивибратор.

Если одна из цепей связи представляет собой резистор, а другая – конденсатор, то мультивибратор будет иметь одно устойчивое состояние. Транзистор с емкостной связью находится в открытом состоянии, другой транзистор – в закрытом. При подаче запускающего импульса мультивибратор вырабатывает один выходной импульс.

Применение:

- Формирование импульсов. Входной импульс с помощью ММВ можно преобразовать в импульс заданной длительности и амплитуды.

- Счёт импульсов. Схема ММВ после запуска нечувствительна к последующим запускающим импульсам до тех пор, пока она не возвратится в исходное состояние. Это позволяет использовать его в качестве счётчика.

- Задержка импульсов. Спад выходного импульса можно использовать для задержки относительно входного импульса.

 

2.      Бистабильный мультивибратор.

Zсв1 и Zсв2 имеют чисто реактивный характер. Тогда можно получить условие для работы с двумя устойчивыми состояниями. При этом один из транзисторов находится в открытом, а другой – в закрытом состоянии. В таком положении устройство может находиться неопределённо-долгое время. Для изменения состояния надо подать запускающий сигнал. Находят применение для следующих целей:

- Счёт импульсов. Для того чтобы привести бистабильный мультивибратор в исходное состояние, надо подать один за другим два входных сигнала. По этой причине его можно использовать, как делитель на два.

- Запоминающий элемент.

 

 

 

Приведём в качестве примера практическую схему мультивибратора и рассмотрим его работу.

Рис.3.2.3. Схема симметричного астабильного мультивибратора с коллекторно-базовыми связями.

 

Предположим, что в исходном состоянии транзистор V1 открыт, а V2 закрыт. Конденсатор CБ2 заряжается через резистор RБ2, обеспечивая увеличение отрицательного напряжения на базе транзистора V2 до тех пор, пока V2 не начнёт открываться. Напряжение на коллекторе V2 уменьшится, на базе транзистора V1 нарастает положительное напряжение, в результате V1 закрывается, а V2 полностью открывается. Теперь будет заряжаться конденсатор CБ1, на базе V1 будет нарастать отрицательное напряжение до тех пор, пока V1 не откроется снова, и весь цикл повторится.

 

Блокинг-генераторы.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный генератор с сильной положительной обратной связью, осуществляемой с помощью импульсного трансформатора. Блокинг-генератор генерирует прямоугольные импульсы с амплитудой примерно равной напряжению источника питания, а при использовании повышающей нагрузочной обмотки импульсного трансформатора – превышающей это напряжение. Длительность генерируемых импульсов составляет десятки наносекунд – сотни микросекунд. Используются автоколебательный и ждущий режимы работы.

Рис.3.2.3. Автоколебательный блокинг-генератор с положительной обратной связью.

 

Длительность импульса определяется параметрами индуктивности и ёмкости. Для изменения длительности можно использовать Rдоб, которое изменяет постоянную времени, определяющую скорость заряда конденсатора. V1 и Rш  используются для уменьшения обратного выброса выходного напряжения (на диаграмме обозначен *). Обмотки трансформатора должны быть правильно подсоединены. Точкой обозначают начало обмотки трансформатора.

 

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН).

Пилообразное напряжение часто используется в практических схемах. Рассмотрим основные параметры, которыми определяется пилообразное напряжение.

 

Пилообразное напряжение характеризуется следующими параметрами:

- tраб – длительность рабочего хода пилообразного напряжения, в течение которого напряжение u (t) изменяется почти по линейному закону.

- tобр – длительность обратного хода пилообразного напряжения, в течение которого напряжение u (t) возвращается к исходной величине.

Т – период повторения.

Um – амплитуда, либо Kср = Um / tраб – средняя скорость пилообразного напряжения в течение tраб.

К форме напряжения в течение обратного хода не предъявляют каких-либо требований. К длительности обратного хода обычно предъявляют требование tобр<< tраб.

К форме напряжения в течение рабочего хода предъявляют жёсткие требования: напряжение должно изменяться почти по  линейному закону. Отклонение от этого закона определяется коэффициентом нелинейности:

    (37.1).

Он характеризует относительное изменение скорости изменения напряжения k = du/dt во время рабочего хода.

Чаще всего в течение рабочего хода используется начальный участок экспоненты:

   (38.1)

Дифференцируя (38.1) и подставив в (37.1), получим приближённо при условии, что tраб / τ<<1 (а на самом деле так и есть):

ε = tраб/τ             (38.2).

Рассмотрим схему простейшего генератора пилообразного напряжения на ключевом каскаде.

 

До прихода входного импульса транзистор открыт и насыщен. Напряжение на коллекторе uk , на конденсаторе C и на выходе схемы равно Ukнас и близко к 0. Входной импульс положительной полярности длительностью tи.вх, равный длительности рабочего хода пилообразного напряжения tраб, закрывает транзистор. Конденсатор C начинает заряжаться от источника Eк через сопротивление резистора Rк с постоянной времени

τ = Rк·C. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к Eк:

При t = tраб напряжение на выходе достигает наибольшего по абсолютной величине значения:

 

Т.к. tраб / τ<<1, то

         (39.1)

Коэффициент нелинейности ε, определяемый формулой (38.2), в соответствие с (39.1) равен:

Для улучшения линейности надо уменьшать ε, что приводит к необходимости уменьшения коэффициента использования коллекторного напряжения. Так, для достижения линейности  ε = 10% (сравнительно плохая линейность) при Um = 10В приходится выбирать Eк = 100В. Максимальное напряжение на коллекторе достигает лишь величины Um и необходимо, чтобы Um<Uкэ проб. Значение же Eк может значительно превышать максимально допустимое между коллектором и эмиттером. Во избежание превышения напряжением на коллекторе максимально допустимой величины при случайном увеличении длительности входного импульса tи вх включается диод V2. С его помощью потенциал коллектора фиксируется на нижнем уровне  -E. Напряжение этого источника выбирают так, чтобы

Uкэ проб>E>Um

После прекращения действия входного импульса рабочий ход пилообразного напряжения заканчивается, а конденсатор C разряжается через открывшийся транзистор. Временем разряда определяется длительность обратного хода пилообразного напряжения.

Кроме отмеченного выше недостатком простейшего ГПН на ключевом каскаде является малая величина отношения tраб/tобр. Последнее объясняется тем, что для получения хорошей линейности пилообразного напряжения необходимо выполнить условие:

tраб<<τ = Rк·C

Верхнее значение Rк ограничено условиями насыщения транзистора, а увеличение C приводит к увеличению tобр.

Повысить отношение tраб/tобр можно применением следующей схемы:

Рис. ГПН с большой постоянной времени заряда конденсатора.Схема и временная диаграмма.

 

В этой схеме включается дополнительная цепочка R1V1. Диод V1 в течение рабочего хода закрыт, а ток заряда конденсатора протекает через R1, сопротивление которого выбирается много меньше высокого обратного сопротивления диода. Конденсатор заряжается с постоянной времени τ = (Rк + R1)·C.

Разряд транзистора осуществляется током транзистора, протекающим через диод V1. Если выбрать R1>>Rк, то можно при неизменной постоянной времени заряда конденсатора C за счёт уменьшения ёмкости конденсатора значительно уменьшить постоянную времени ёмкости разряда, что приведёт к уменьшению длительности обратного хода tобр. При этом отношение tраб/tобр значительно повысится.

 


Dr.BoT© Konspektiruem.ru