Генераторы импульсных сигналов.

К ним относятся генераторы импульсов прямоугольной и треугольной (пилообразной) формы. При построении соответствующих схем операционный усилитель используется, как компаратор напряжений. Поэтому рассмотрим предварительно особенности схемы компаратора. Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений, которое, в зависимости от результатов сравнения вырабатывает сигналы с двумя различными уровнями.

Для операционного усилителя этими уровнями могут быть минимальное и максимальное выходные напряжения в соответствии с его амплитудной характеристикой.

На графике изображена зависимость выходного напряженгия ОУ Uout от входного Uin, определяемого, как разность сравниваемых напряжений Uin=U1-U2. Из графика видно, что если эта разность положительна и превышает 2.5 милливольта, выходной сигнал равен +10 вольт. Если эта разность отрицательна и превышает по абсолютной величине 2.5 милливольт, то выходной сигнал равен -10 вольт. Интервал -2.5mV<Uin<2.5mV соответствует зоне нечувствительности компаратора и характеризует точность сравнения. Если одно из сравниваемых напряжений имеет заданный постоянный уровень, оно называется опорным напряжением. При построении схем генераторов опорное напряжение задается , как часть максимального (минимального) выходного напряжения ОУ с помощью резистивного делителя напряжения, образующего цепь положительной обратной связи. Схема такого типа имеет вид:

При Uin=0 схема может находиться в одном из двух возможных устойчивых состояний, определяемых максимальным или минимальным значениями выходного сигнала Uout. При этом опорное напряжение , где -максимум абсолютной величины выходного напряжения. Если в одном из состояний схемы выходное напряжение положительно, то для переключения ее в противоположное состояние нужно подать на вход положительное напряжение, превышающее . После этого выходное напряжение скачкообразно изменит полярность, следовательно, измениться полярность напряжения U0 и для следующего переключения схемы необходимо на ее вход подать сигнал отрицательной полярности. Таким образом, зона нечувствительности схемы лежит в пределах -U0<Uin<U0. На основе рассмотренной схемы реализуется схема автоколебательного генератора прямоугольных импульсов (мультивибратора).

Как видно, основу схемы составляет компаратор, в котором помимо цепи положительной обратной связи имеется цепь отрицательной обратной связи, состоящая из резистора R1 и конденсатора C1. Конденсатор C1 имеет возможность заряжаться под воздействием выходного напряжения U. Если это напряжение положительно, конденсатор заряжается в положительную сторону , если выходное напряжение меняет полярность, то меняется и направление зарядного тока конденсатора. Момент смены направления зарядного тока соответствует моменту достижения напряжением на конденсаторе уровня U0 опорного напряжения. Эта смена происходит периодически, что приводит к периодическому переключению полярности выходного сигнала, т.е. к появлению на выходе последовательности знакопеременных импульсов прямоугольной формы.

Обозначим постоянную времени цепи заряда конденсатора , а коэффициент положительной обратной связи . Тогда, принимая во внимание, что в установившемся режиме работы схемы после каждого ее переключения происходит перезаряд конденсатора от уровня U0 одного знака до этого же уровня другого знака, для временной зависимости напряжения Uc(t) в интервале между двумя переключениями схемы можем записать:

. Первое слагаемое описывает убывание положительного напряжения, имевшегося на конденсаторе в момент переключения, а второе слагаемое описывает заряд конденсатора отрицательным напряжением . Правая часть уравнения соответствует уровню, при котором произойдет очередное переключение. Решая это уравнение относительно переменной , можно определить длительность импульса одной полярности на выходе: . Временная диаграмма для напряжений и приведена ниже.

 

Из временной диаграммы видно, что положительному напряжению на выходе схемы соответствует участок линейного нарастания напряжения на конденсаторе (начальный участок экспоненты) вплоть до уровня U0, а при скачкообразной смене полярности выходного напряжения наблюдается линейное уменьшение напряжения на конденсаторе до уровня -U0. Очевидно, что увеличение уровня U0 приведет к увеличению периода колебаний и наоборот.

Аналогично влияет на изменение периода и величина постоянной времени R1C1