Из чего состоит генератор пилообразного напряжения

Отвечая на вопрос, из чего состоит генератор пилообразного напряжения, выделяют источник постоянного тока или напряжения, накопительный конденсатор, электронный ключ для быстрого разряда и схему управления ключом. В аналоговых устройствах основой выступает интегрирующий операционный усилитель. Такая схема также включает в себя пороговые элементы, такие как триггер Шмитта или компаратор, задающие параметры вершины и спада сформированного электрического импульса.

$U(t) = \frac{I}{C} \cdot t$

Разбор по случаям

Примеры

Расчёт времени заряда конденсатора. Рассмотрим схему, где накопительный конденсатор ёмкостью $C = 10\, \text{nF}$ заряжается постоянным током $I = 1\, \text{mA}$ до напряжения $U = 5\, \text{V}$. Формула прямого хода имеет вид $t = \frac{C \cdot U}{I}$.

Подставляя известные значения, получаем время нарастания пилы: $t = \frac{10 \cdot 10^{-9} \cdot 5}{1 \cdot 10^{-3}} = 50\, \mu\text{s}$.

При разряде электронный ключ замыкается, и выходное напряжение мгновенно сбросится до нуля.

Генератор на операционном усилителе. В интерактивной схеме на операционный усилитель подаётся постоянное входное напряжение $U_{\text{in}} = 2\, \text{V}$ через резистор $R = 10\, \text{k}\Omega$ при ёмкости $C = 100\, \text{nF}$.

Скорость изменения выходного пилообразного сигнала определяет соотношение $v = \frac{U_{\text{in}}}{R \cdot C}$.

Вычисляем: $v = \frac{2}{10^4 \cdot 10^{-7}} = 2000\, \text{V/s}$.

Это означает, что напряжение нарастает со скоростью 2 вольта за одну миллисекунду.

Генератор на источнике тока и ключе. Схема линейного генератора пилообразного напряжения состоит из генератора стабильного тока на транзисторе, накопительного конденсатора и разрядного ключа на компараторе. Постоянный ток обеспечивает линейный заряд емкости.

При рабочем токе заряда $I = 2\text{ mA}$, емкости конденсатора $C = 100\text{ nF}$ и размахе напряжения $\Delta U = 5\text{ V}$ длительность прямого хода пилы рассчитывается как $t = \frac{C \cdot \Delta U}{I} = \frac{10^{-7} \cdot 5}{2 \cdot 10^{-3}} = 2.5 \cdot 10^{-4}\text{ s}$.

Если время обратного хода разряда пренебрежимо мало, итоговая частота генерируемого сигнала равна $f = \frac{1}{t} = \frac{1}{2.5 \cdot 10^{-4}} = 4000\text{ Hz}$.

Частые ошибки

• Путаница между временем заряда емкостного элемента и временем его быстрого разряда через ключ.
• Использование нелинейного участка экспоненты RC-цепи вместо применения источника стабильного тока.
• Отсутствие разрядного ключа или компаратора, из-за чего напряжение не сбрасывается до начального уровня.

Коротко

Разбирая вопрос, из чего состоит генератор пилообразного напряжения, необходимо помнить про ключевую связку из задающего ток элемента, конденсатора и разрядного ключа. Правильно собранный генератор пилообразного напряжения обеспечит высокой степени линейность сигнала для осциллографов и развёрток.