генератор треугольной формы сигнала
Генератор, источник треугольных импульсов, сигнала, напряжения. Схема. Проектирование. Расчет. Принцип действия.
Генератор треугольного сигнала. Принципиальная схема. Расчет. (10+)
Генератор треугольного сигнала
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.
Расчет частоты и номиналов элементов стандартного генератора треугольных импульсов
[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.
Металлоискатель самодельный. Сделать, собрать самому, своими руками. С.
Схема металлоискателя с высокой разрешающей способностью. Описание сборки и нала.
Переменный резистор, потенциометр, сопротивление, управляемое, регулир.
Управляемый напряжением переменный резистор, электронная регулировка сопротивлен.
Схемы генераторов сигналов треугольной формы.
Как построить высококачественный генератор треугольных импульсов с высо- кой линейностью выходного сигнала. Он-лайн калькулятор расчёта элементов генератора.
Не буду углубляться в дебри и пытаться нарыть все области, в которых могут найти себе применение генераторы импульсов треугольной формы, отмечу лишь, что такие области есть и их немало.
Рассматривать простейшие конструкции на одном операционном усилителе, либо расхожие схемы, выполненные на 555 таймере, в рамках данной статьи мы не станем ввиду крайне низкой линейности последних. Поэтому остановимся на схемах, позволяющих получить удобоваримые результаты как с точки зрения линейности, так и с точки зрения частотных характеристик изделия.
Рис.1
Этот генератор состоит из последовательно включенных триггера Щмитта и интегратора.
Интегратор, как ему и положено, интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение.
Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера. Изменяя постоянную интегрирования R1C1, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения.
Сдобрим пройденный материал он-лайн калькулятором. Расчёты проведём для схемы с Рис.1.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕТОВ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ.
Теперь пару слов о грустном, вернее о том, что, как правило, не упоминается в различных источниках информации.
Формирование идеальных треугольных импульсов предполагает наличие очень высокого параметра усиления ОУ. Значение скорости нарастания выходного напряжения операционника также должно устремляться в бесконечность. И если с Ku современных полупроводников проблем не возникает (он достигает десятков-сотен тысяч), то найти недорогой и широкополосный операционник для получения «хороших» треугольных импульсов (с нелинейностью менее 1%) весьма проблематично.
А что нам говорит практика? А практика на говорит, что для того, чтобы получить на выходе генератора треугольный сигнал с приемлемым (единицы % и ниже) коэффициентом нелинейности необходимо соблюсти следующие условия: частота единичного усиления операционника, работающего в качестве интегратора, должна быть не менее, чем в 100 раз выше максимальной частоты генератора, а полоса ОУ, работающего в качестве триггера, должна превышать частоту генератора уже в 1000 раз и выше.
На Рис.3 слева приведена осциллограмма выходного сигнала генератора на частоте 10кГц, причём форма сигнала имеет приличную линейность вплоть до частоты 160кГц (Рис.2 справа). Генератор сохраняет устойчивую работу до частоты 200кГц.
При использовании в интеграторе микросхемы AD826, запитанной двухполярным напряжением ±12В, диапазон высокой линейности треугольника составляет 0. 500кГц, при этом работоспособность генератора сохраняется до частот в несколько мегагерц. При питании микросхемы от однополярного источника +6В частотный диапазон сужается
в 2. 2,5 раза.
Амплитуда треугольных импульсов равна величине напряжения гистерезиса микросхемы 74HC14 и при Vcc=6В составляет ≈ 1,2В.
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Генераторы треугольных импульсов на ОУ
Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о мультивибраторе, который является генератором прямоугольных импульсов. Кроме прямоугольных импульсов в радиоэлектронике находят широкое применение импульсы с линейно-изменяющейся формой: треугольной и пилообразной. Они применяются в схемах ШИМ – контроллеров (широтно – импульсная модуляция сигнала), различных времязадающий схемах (таймерах) и так далее.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения
Для понимания того как происходит формирование линейно-нарастающего напряжения вспомним как протекает переходный процесс в интегрирующих RC-цепях. Для этого изобразим схему заряда конденсатора некоторым током I
График заряда конденсатора.
Заряд Q конденсатора постоянным током I происходит за время t
В тоже время напряжение UС на конденсаторе емкостью С определяется величиной заряда Q накопленного в конденсаторе
Таким образом, напряжение UС на конденсаторе емкостью С, который заряжается током I будет определяться временем t
Так как значение емкости и тока постоянны, то напряжение, до которого зарядится конденсатор пропорционально времени, прошедшего с момента замыкания ключа. Таким образом, напряжение на конденсаторе UС фактически является суммой напряжений за весь период t. Такое суммирование называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором.
Интегратор на ОУ я рассматривал в одной из предыдущих статей и показан на рисунке ниже
Схема интегратора на операционном усилителе.
В данной схеме зарядный ток I конденсатора С1 определяется входным напряжением UBX и резистором R1, тогда выходное напряжение будет вычисляться по следующей формуле
Знак «–» в выражении показывает то, что входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ.
Описанный здесь интегратор, имеющий на выходе линейно-изменяющуюся форму напряжения, является основой для построения генераторов треугольного и пилообразного напряжений.
Генератор напряжения треугольной формы
Наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта. Несмотря на свою простоту, схема позволяет получить хорошие треугольные импульсы.
Генератор напряжения треугольной формы.
Данный генератор треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта на ОУ DA1 и резисторах R1, R2 и R3, а также интегратора на ОУ DA2 и резисторах R4, R5 и конденсатора С1. Треугольные импульсы снимают с вывода «UВЫХ 2», кроме того с вывода «UВЫХ 1» можно снимать прямоугольные импульсы. Резисторы R3 и R5 служат для компенсации напряжения смещения ОУ и в случае, когда нет необходимости в сильной симметрии импульсов их можно заменить перемычками.
Для понимания принципа работы генератора треугольных импульсов рассмотрим график напряжений на его выводах UВЫХ 1 и UВЫХ 2.
Графики выходных напряжений генератора треугольных импульсов: на выходе триггера Шмитта (верхний) и на выходе интегратора (нижний).
Допустим после подачи напряжения питания в схему на выходе триггера Шмитта (DA1) установилось напряжение положительного насыщения ОУ UНАС+, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться, а на выходе интегратора (DA2) напряжение начинает соответственно линейно падать. Так как выход интегратора и вход триггера объединены, то при достижении линейно-падающего напряжения уровня нижнего напряжения переключения триггера UНП, то произойдёт переброс напряжения на его выходе до напряжения отрицательного насыщения ОУ UНАС-, а коденсатор С1 начнёт разряжаться. По мере разряда конденсатора напряжение на выходе интегратора начнёт линейно расти до уровня напряжения верхнего переключения триггера Шмитта UВП, после достижения, которого выход триггера переключится до уровня напряжение положительного насыщения ОУ UНАС+ и цикл зарядки – разрядки конденсатора С1, а следовательно и треугольного напряжения повторится.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что амплитуда выходного треугольного напряжения, которое можно снимать с выхода ОУ DA2 (UВЫХ 2) будет равна величине гистерезиса триггера Шмитта
Таким образом регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения.
Длительность треугольно импульса состоит из двух периодов: периода нарастания длительностью tН и периода спада напряжения длительностью tС. Длительность этих периодов определяется следующими выражениями
Как известно пороговые уровни триггера Шмитта при опорном напряжении равном нулю (UОП = 0 В) определяются следующими выражениями
Тогда после несложных преобразований и замен получим выражение для длительности и частоты треугольного напряжения
Изменение частоты следования треугольных импульсов осуществляется с помощью резистора R4 (точная регулировка) и конденсатора C1 (грубо), хотя длительность импульсов также зависит от величины сопротивления резистора R4.
Стоит заметить, что максимальная частота следования импульсов ограничена параметрами ОУ, в частности скоростью нарастания выходного напряжения ОУ DA2 (интегратор) и максимальным выходным током ОУ DA1 (триггер Шмитта).
Генератор напряжения пилообразной формы
Генератор треугольного напряжения, выполненный по предыдущей схеме, легко преобразуется в генератор пилообразного напряжения. Для этого достаточно обеспечить разную длительность заряда и разряда конденсатора в схеме интегратора. Такие изменения показаны на рисунке ниже
Генератор колебаний пилообразной формы.
Как нетрудно заметить внесённые изменения касаются цепи заряда-разряда конденсатора С1 в интеграторе. Диоды VD1 и VD2 позволяют выполнять заряд-разряд конденсатора разными токами. При изображённой на схеме полярности включения диодов длительность разряда конденсатора С1, а следовательно и длительность линейно-возрастающего напряжения определяется величиной сопротивления резистора R4’, а длительность заряда С1 и линейно падающего сигнала на выходе интегратора – сопротивлением R4” по следующим формулам
Все остальные аспекты работы схемы аналогичны предыдущей. Так как схема не является симметричной то резистор R5 можно удалить. Частота выходного пилообразного напряжения будет определяться суммой резисторов R4’ и R4”. Стабильность частоты в данной схеме будет ограниченна температурной нестабильностью диодов VD1 и VD2
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Схемы генераторов прямоугольных и треугольных импульсов
Интегратор представляет собой усилитель на ОУ DA1, в цепь обратной связи которого включены времязадающие элементы R1, C3. Большой коэффициент усиления ОУ позволяет при подачи на его вход прямоугольных импульсов получить на выходе напряжение треугольной формы высокой линейности. С выхода интегратора напряжение поступает на вход инвертора, выполненного на ОУ DA2. В цепь обратной связи этого ОУ включён делитель R2, R3. Коэффициент передачи инвертора равен отношению сопротивлений резисторов R3 и R2, взятому со знаком минус. Если сопротивления резисторов равны, коэффициент передачи равен единице, а напряжение на выходе обратно по знаку входному.
Когда напряжение на выходе инвертора уменьшается до определённого значения, уровень выходного напряжения на выходе компаратора ( ОУ DA3 ) становится положительным и, попадая на вход DA1 будет вызывать уменьшение напряжения на выходе.
На выходе инвертора будет наблюдаться обратная картина. когда напряжение достигнет второго уровня сравнения, компаратор возвращается в исходное значение и весь процесс повторяется.
Таким образом на выходе DA1 получаем треугольное напряжение, на выходе DA2 также треугольное, но обратного знака, на выходе DA3 – напряжение прямоугольной формы.
Частота колебаний приблизительно определяется соотношением f ≈ 0,75/R1C3 ( при равенстве сопротивлений резисторов R2, R3 и R7, R8 ). Максимальная рабочая частота ограничена инерционными свойствами ОУ и равна 500 кГц. Минимальная рабочая частота определяется ёмкостью конденсатора С3 и сопротивлением резистора R1, которое не должно превышать 100 кОм. Сопротивление нагрузки не должно быть менее 5 кОм, а ёмкость не более 100 пФ.
При использовании элементов и деталей, номиналы которых указаны на схеме, частота выходных импульсов – 7500 Гц.
Простой генератор прямоугольных импульсов можно использовать при проверке различной аппаратуры. Схема генератора очень проста ( Рис.2 ). При отсутствии кварцевого резонатора вместо него можно использовать конденсатор ёмкостью от 240 пФ до 1 мкФ. В 
случае генератор будет выдавать импульсы с частотой следования от 600 до 2000 Гц. При уменьшении индуктивности катушки L1 увеличивается нижняя предельная частота устойчивой работы генератора.
При использовании кварцевых резонаторов на другие частоты изменится соответственно и частота следования импульсов. Генератор можно собрать только на двух элементах микросхемы DD1, не используя DD1.3. Этот инвертор желательно установить для того, чтобы уменьшить влияние нагрузки на генератор. Питать такой генератор можно от любого источника напряжением 5 … 10 В. Микросхемы К133ЛА3 можно заменить любой, имеющей элементы И – НЕ.
Э. П. Борноволоков, В. В. Фролов «РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИЕ СХЕМЫ» Киев, «Техника», 1985г, стр.219
Генератор импульсов треугольной и прямоугольной формы
Генератор на микросхемах. Используя ОУ, можно собрать достаточно стабильный генератор импульсов треугольной и прямоугольной формы. Генератор состоит из интегратора, инвертора и компаратора. Интегратор представляет собой усилитель на ОУ А1, в цепь обратной связи которого включены времязадающие элементы R1, С3.
Большой коэффициент усиления ОУ позволяет при подаче на его вход прямоугольных импульсов получить на выходе напряжение треугольной формы высокой линейности. С выхода интегратора напряжение поступает на вход инвертора, выполненного на ОУ Л2. В цепь обратной связи этого ОУ включен делитель R2, R3.
Коэффициент передачи инвертора равен отношению сопротивлений резисторов R3 и R2, взятому со знаком минус. Если сопротивления резисторов равны, коэффициент передачи равен единице, а напряжение на выходе обратно по знаку входному.
Когда напряжение на выходе инвертора уменьшится до определенного значения, уровень выходного напряжения на выходе компаратора (ОУ А3) станет положительным и, попадая на вход Д1, будет вызывать уменьшение напряжения на его выходе. На выходе инвертора будет наблюдаться обратная картина. Когда напряжение достигнет второго уровня сравнения, компаратор возвращается в исходное состояние и весь процесс повторяется.
Таким образом, на выходе 1 получают треугольное напряжение, на выходе 2 — также треугольное, но обратного знака, на выходе 3 — напряжение прямоугольной формы.
Частота колебаний приблизительно определяется соотношением f = 0,75/R1C3 (при равенстве сопротивлений резисторов R2, R3 и R7, R8). Максимальная рабочая частота ограничена инерционными свойствами ОУ и равна 500 кГц. Минимальная рабочая частота определяется емкостью конденсатора С3 и сопротивлением резистора R1, которое не должно превышать 100 кОм.
Сопротивление нагрузки не должно быть менее 5 кОм, а емкость не более 100 пФ.
При использовании элементов и деталей, номиналы которых указаны на схеме, частота выходных импульсов — 7500 Гц.