Сигнал, снимаемый с выхода ИУПТ. Минимальное дифференциальное напряжение DU. Расчёт номиналов элементов схемы на заданную частоту следования импульсов

Генераторами называют устройства, предназначенные для получения периодических сигналов необходимой формы, частоты и мощности. По способу запуска различают автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением. Автогенераторы для своей  работы  не требуют внешнего запускающего воздействия и выходной сигнал они начинают вырабатывать сразу после подачи на схему питающего напряжения. Для получения периодического сигнала с частотой, лежащей в области низких частот, обычно  используют  автогенераторы на основе RC-элементов. Генераторы высоких частот строят на основе LC- элементов.

Исследуемая в работе схема автогенератора (рис.1) формирует два сигнала: сигнал прямоугольной формы и сигнал, форма которого близка к треугольной. Достоинством рассматриваемой схемы автогенератора является, с одной стороны, простота реализации, а с другой – высокое качество формируемых периодических сигналов в диапазоне от единиц герц до десятков килогерц.

Сигнал, снимаемый с выхода ИУПТ, имеет форму двуполярных симметричных прямоугольных импульсов. Как уже было сказано, форма сигнала на инвертирующем входе ИУПТ лишь приближается к треугольной, поскольку изменение напряжения на конденсаторе происходит по экспоненциальному закону. ИУПТ работает в режиме компаратора, сравнивая напряжение с резистивного делителя (КТ3) с напряжением на конденсаторе (КТ2). Переключение выходного напряжения ИУПТ происходит в моменты сравнения этих двух напряжений.

Рис.1

Рассмотрим подробнее работу генератора. В первый момент времени после подачи на усилитель питающих напряжений (±Uпит) напряжение на конденсаторе равно нулю. Усиление в Ku раз напряжения ошибки (в основном определяемого напряжением смещения усилителя) приводит к появлению выходного напряжения ИУПТ. Это напряжение, передаваясь по цепи R1R2 (её можно назвать цепью ПОС) на неинвертирующий вход ИУПТ, приводит к увеличению дифференциального напряжения усилителя DU=U⁺–U^– (здесь U⁺ и U^– - напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ИУПТ соответственно). В результате лавинообразного усиления DU выходное напряжение ИУПТ достигает напряжения насыщения (оно меньше напряжения Uпит на 0.5...2В – зависит от используемой ИМС ИУПТ), полярность которого определяется знаком DU. Предположим, что в нашем случае напряжение на выходе ИУПТ оказалось положительным с величиной +Uнас. Если считать, что входные токи и выходное сопротивление усилителя равны нулю, а потери в конденсаторе отсутствуют, то в начавшемся процессе зарядки конденсатора напряжение на нём (Uc(t)), изменяясь по экспоненциальному закону с постоянной времени t=RC, будет стремится к +Uнас. Однако не достигнет его, поскольку, когда напряжение на конденсаторе окажется сравнимым с напряжением на неинвертирующем входе усилителя (значение напряжения в этой точке определяется коэффициентом передачи делителя R1, R2: Uд=Uнас×Кдел) и разность этих напряжений (DU) поменяет знак, выходное напряжение ИУПТ изменит знак на противоположный в результате усиления поменявшего знак дифференциального входного напряжения DU. Теперь конденсатор будет перезаряжаться до нового напряжения Uд, знак которого противоположен знаку предыдущего Uд, и т.д.. Частота следования генерируемых импульсов определяется промежутком времени, за который напряжение на конденсаторе успевает достигать напряжения на неинвертирующем входе ИУПТ.

Минимальное дифференциальное напряжение DU, при котором происходит переключение ИУПТ, называют чувствительностью и находят делением максимального выходного напряжения усилителя на Ku. Крутизна фронта (и среза) формируемых прямоугольных импульсов определяется скоростью нарастания выходного напряжения используемой микросхемы ИУПТ и её нужно учитывать, в особенности при необходимости иметь прямоугольные импульсы с крутыми фронтами при высокой частоте следования. При выборе номиналов сопротивлений схемы также нужно учитывать нагрузочную способность выбранного ИУПТ. Это значит, что суммарный ток, состоящий из тока делителя (R1, R2), тока заряда конденсатора, а также тока, ответвляющегося в нагрузку, не должен превышать максимально допустимого выходного тока выбранной ИМС ИУПТ.

Для вывода формулы, позволяющей проводить расчёт номиналов элементов схемы на заданную частоту следования импульсов, необходимо составить и записать ряд выражений, связывающих эти номиналы с напряжениями в контрольных точках схемы. Если для упрощения задачи принять, что все элементы схемы имеют идеальные параметры, то такую формулу можно вывести следующим образом: 1) записать закон изменения напряжения на конденсаторе (формулу Uc(t)) с учётом того, что в установившемся режиме работы генератора заряд конденсатора начинается не с нулевого уровня напряжения, а с напряжения Uд, и конденсатор стремится зарядиться до напряжения Uнас, причём полярность Uнас противоположна Uд; 2) приравнять выражение Uc(t) к тому напряжению, при котором произойдёт переключение ИУПТ; 3) решить полученное уравнение относительно переменной времени t, которая теперь определяет величину Т/2 - половину периода выходного сигнала генератора; 4) записать формулу частоты (f=1/Т).