Формирователь пилообразного напряжения

 

Изобретение относится к области приборостроения и автоматики для формирования напряжений пилообразной формы блоков развертки, аналого-цифровых преобразователей, широтно-импульсных модуляторов, устройств управляемой задержки. Технический результат заключается в получении выходного линейно изменяющегося напряжения, превышающего напряжение питания. Формирователь содержит операционный усилитель (ОУ) (1) с резисторами (Р) (2, 3) цепи отрицательной обратной связи (ОС) и Р (4-6) цепи положительной ОС, конденсаторы (К) (7, 9) и синхронно коммутируемые (12) ключи (8, 11), элемент сопротивления (15-19), клеммы (13, 14) для подачи первого и второго входных напряжений. За счет ОС на Р (2, 3) напряжение на выходе ОУ (1) начинает увеличиваться и через К (9) создает дополнительный ток, поддерживающий необходимую скорость нарастания выходного напряжения (22). Энергия, запасенная К (9) на начальном интервале времени, обеспечивает продолжение такого режима некоторое время после того, как напряжение (22) достигнет значения напряжения питания, и превышает его. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении и автоматике для формирования напряжения пилообразной формы блоков развертки, аналого-цифровых преобразователей, широтно-импульсных модуляторов, устройств управляемой задержки и т. п.

Известен формирователь пилообразного напряжения (см. например кн. Бондарь В.А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. рис. 2-10), содержащий стабилизатор тока, конденсатор и ключ. Выходное напряжение генератора формируется путем заряда конденсатора током, создаваемым стабилизатором тока.

Недостатками этой схемы является малое значение коэффициента использования напряжения питания, ограниченное падением напряжения на стабилизаторе тока и составляющее 0,5-0,8, а также малая нагрузочная способность.

Известен формирователь пилообразного напряжения (см. например кн. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Советское радио, 1980, стр. 250-254, рис. 9-16), содержащий усилитель, последовательную RС-цепь, средняя точка которой подключена к входу усилителя, и дополнительный конденсатор, включенный между выходом усилителя и резистором RС-цепи. Благодаря применению усилителя генератор имеет высокую нагрузочную способность.

Недостатками такой схемы являются также малое значение коэффициента использования напряжения питания, определяемое характеристиками выходного каскада усилителя и составляющее 0,8-0,9.

Известен также формирователь линейно изменяющегося напряжения (см. например кн. Бондарь В.А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.48-49, рис. 2-21, 2-22), содержащий усилитель, последовательную RC-цепь, средняя точка которой подключена к входу усилителя, и ключ, выводы коммутируемой цепи которого подключены к конденсатору RC-цепи, а управляющий вход - к входу управления формирователя. Коэффициент использования напряжения питания этого устройства также не превышает 0,8-0,9.

Наиболее близким к заявленному является формирователь линейно изменяющегося напряжения (см. например кн. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах. Под ред. Шаца. М.: Советское радио, 1976, с.161-163, рис. 4-24), содержащий операционный усилитель, два последовательно соединенных резистора цепи отрицательной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения первого входного напряжения, а точка соединения этих резисторов - к инвертирующему входу усилителя, два последовательно соединенных резистора цепи положительной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй к выводу для подключения второго входного напряжения, а точка соединения резисторов цепи положительной обратной связи непосредственно или через дополнительный резистор - к неинвертирующему входу усилителя, параллельно соединенные и подключенные к неинвертирующему входу усилителя конденсатор и первый ключ. Однако коэффициент использования напряжения питания остается недостаточным и не может быть получен больше единицы.

Задачей изобретения является увеличение коэффициента использования напряжения питания.

Решение задачи достигается тем, что в формирователе пилообразного напряжения, содержащем операционный усилитель, два последовательно соединенных резистора цепи отрицательной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения первого входного напряжения, а точка соединения этих резисторов - к инвертирующему входу усилителя, два последовательно соединенных резистора цепи положительной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения второго входного напряжения, а точка соединения этих резисторов непосредственно или через дополнительный резистор - к неинвертирующему входу усилителя, параллельно соединенные и подключенные к неинвертирующему входу усилителя конденсатор и первый ключ, введены дополнительный конденсатор, включенный между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элемент сопротивления, включенный между выходным выводом формирователя и источником питания, а также второй ключ, включенный параллельно дополнительному конденсатору и коммутируемым синхронно с первым ключом. Элемент сопротивления может быть выполнен в виде стабилизатора тока, который может быть соединен последовательно с диодом. При этом достигается наибольшая степень повышения выходного напряжения.

Элемент сопротивления может быть выполнен также в виде резистора, который может быть соединен последовательно с диодом. При этом обеспечивается максимальная простота схемы.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено дополнительным конденсатором, включенным между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элементом сопротивления, включенным между выходным выводом формирователя и источником питания, а также вторым ключом, включенным параллельно дополнительному конденсатору и коммутируемым синхронно с первым ключом. Элемент сопротивления может быть выполнен в виде стабилизатора тока, который может быть соединен последовательно с диодом.

Элемент сопротивления может быть выполнен также в виде резистора, который может быть соединен последовательно с диодом.

На фиг. 1 приведен пример схемы предложенного формирователя линейно изменяющегося напряжения.

Схема содержит операционный усилитель 1 (А1), цепь отрицательной обратной связи, образованную резисторами 2 (R1) и 3 (R2), и цепь положительной обратной связи, образованную резисторами 4 (R3) и 5 (R4). Точка соединения резисторов 4 и 5 может быть подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 непосредственно или через резистор 6 (R5). Конденсатор 7 (С1) и соединенный параллельно с ним первый ключ 8 (S1) подключены между общим проводом и неинвертирующим входом операционного усилителя 1. Дополнительный конденсатор 9 (С2) включен между выходом усилителя 1 и выходным выводом 10 и шунтирован вторым ключом 11 (S2). Управление обоими ключами осуществляется синхронно напряжением U_УПР, подаваемым на вход 12 управления. Входные напряжения, определяющие скорость изменения пилообразного напряжения, подаются на входы 13 и 14, к которым подключены резисторы 2 и 4 соответственно. Элемент сопротивления 15, включенный между выходным выводом формирователя и источником напряжения питания, выполнен в виде стабилизатора тока на транзисторах 16 (VT1), 17 (VT2) и резисторе 18 (R2). Последовательно с транзистором 17 элемента сопротивления 15 может быть включен диод 19.

На фиг. 2 приведен второй пример схемы предложенного формирователя.

Основная часть этой схемы, содержащая операционный усилитель 1, цепи отрицательной и положительной обратных связей, содержащих резисторы 2, 3, 4, 5 и 6, а также конденсаторы 7 и 9, ключи 8 и 11, выполнена аналогично предыдущей схеме. Элемент сопротивления 15 выполнен в виде резистора 20 (R6), последовательно с которым может быть включен диод 19.

На фиг. 3 изображена временная диаграмма, поясняющая работу предложенного формирователя линейно изменяющегося напряжения. Здесь 21 - график напряжения на выходе усилителя; 22 - график выходного пилообразного напряжения.

Формирователь линейно изменяющегося напряжения работает следующим образом.

При полярности диода 16, показанной на приведенных схемах, на вход 14 подается напряжение U_ВХ отрицательной полярности, а напряжение питания U_ПИТ - положительной. Управляющий сигнал U_УПР прямоугольной формы периодически синхронно изменяет состояние ключей 8 и 11. В течение времени обратного хода ключи 8 и 11 замкнуты, конденсаторы 7 и 9 разряжаются, и выходное напряжение практически равно нулю. В момент начала прямого хода ключи 8 и 11 размыкаются, конденсаторы 7 начинает заряжаться током через резисторы 4 и 6, а конденсаторы 7 - через элемент сопротивления 15, в схеме на фиг. 1 - стабилизатор тока, а в схеме на фиг. 1 - резистор 20.

Благодаря усилительным свойствам операционного усилителя 1 и положительной обратной связи через резистор 5 конденсатор 7 заряжается постоянным током, и на выходе 10 формируется линейно нарастающее напряжение 22 U_ВЫХ. На интервале (t₀-t₂) времени диод 19 открыт и элемент сопротивления 15 создает ток в нагрузке и резисторах 2, 3, 4, 5 цепей отрицательной и положительной обратной связи. Часть тока элемента сопротивления 15 течет через конденсатор 9, заряжая его. На начальном интервале (t₀-t₁) времени нарастания напряжения 22 ток I_ЭС элемента сопротивления 15 превышает значение, необходимое для заряда конденсатора 9 с требуемой скоростью изменения напряжения 22, и конденсатор 9 заряжается быстрее. Ускоренный заряд конденсатора 9 током I_С2 компенсируется снижением напряжения 21 на выходе усилителя 1. По мере увеличения выходного напряжения 22 на выводе 5 и тока нагрузки ток конденсатора 9 уменьшается. В момент времени t₂ напряжение 22 на выходе 10 достигает значения напряжения U_ПИТ питания, диод 19 закрывается, и ток элемента сопротивления становится равным нулю. Поэтому за счет обратной связи усилителя 1, осуществляемой через резисторы 2 и 3, напряжение 21 на выходе усилителя 1 начинает увеличиваться, и через конденсатор 9 создает дополнительный ток, поддерживающий необходимую скорость нарастания выходного напряжения 22. Энергия, запасенная конденсатором 9 на начальном интервале времени, обеспечивает продолжение такого режима некоторое время после того, как напряжение 22 достигает значения U_ПИТ. В результате этого на выходе 5 будет сформировано напряжение 22, значение которого превышает напряжения питания U_ПИТ, т.е. коэффициент использования напряжения питания, равный отношению амплитуды выходного напряжения к напряжению питания, будет больше единицы. Благодаря неизменному значению тока I_ЭС на интервале времени t₀-t₂ при выполнении элемента сопротивления в виде стабилизатора тока заряд конденсатора 9 продолжается в течение всего этого интервала, а на интервале t₂-t₃ дольше поддерживает нарастание выходного напряжения, что и обеспечивает максимальное значение коэффициента использования напряжения питания.

По окончании прямого хода в момент времени t₃ ключи 8 и 11 замыкаются, и конденсаторы 7 и 9 разряжаются, т. е. схема подготавливается к формированию нового импульса прямого хода, который начинается в момент времени t₄.

В зависимости от схемного построения стабилизатора тока (например, на полевом транзисторе) необходимость в диоде 19 может отсутствовать.

Для получения максимальной стабильности параметров формируемого напряжения в широком диапазоне регулирования скорости его изменения целесообразно использовать один прецизионный конденсатор, а регулирование скорости осуществлять входными напряжениями, подаваемыми на выводы 13 и 14, и изменением сопротивлений резисторов 4 и 5 цепи положительной обратной связи. Применение резистора 6 позволяет изменять ток заряда конденсатора 7, а, следовательно, и скорость изменения пилообразного напряжения, изменением сопротивления только одного резистора 6 (см. решение о выдаче патента по заявке № 2000108058/09 от 03.04.2000), т.е. более простым способом.

В схеме на фиг. 2 на интервале времени t₀-t₂ формирования линейно изменяющегося напряжения (при выходном напряжении, меньшем напряжения питания) ток элемента сопротивления 15 - резистора 20 - имеет переменное значение, плавно уменьшающееся до нуля. Это несколько (на 5-15 %) снижает коэффициент использования напряжения питания. Формирование обратного хода линейно изменяющегося напряжения происходит при замыкании ключей 8 и 11 аналогично. Диод 19 в данном случае также может отсутствовать, что приводит к некоторому уменьшению амплитуды выходного напряжения.

Элемент сопротивления 15 может быть выполнен в виде дросселя. В этом случае благодаря энергии, накапливаемой в нем на начальном этапе прямого хода, также обеспечивается формирование выходного напряжения, превышающего напряжение питания.

Проверка работы этих схем на ЭВМ с применением системы моделирования MICROCAP - V показала, что при напряжении U_ПИТ=15 В и питании усилителя 1 напряжением ±15 В можно получить пилообразное напряжение 22 амплитудой до 40 В. Напряжение 21 на выходе усилителя 1 при этом изменяется в диапазоне ±12 В, а коэффициент использования напряжения питания U_ПИТ достигает значения 2,67.

Таким образом, предложенный формирователь пилообразного напряжения позволяет получить линейно изменяющееся напряжение, превышающее напряжение питания элементов его схемы, что обеспечивает значение коэффициента использования напряжения питания больше единицы. Благодаря этому для формирования пилообразного напряжения амплитудой до 40 В можно использовать распространенные операционные усилители с напряжением питания ±15 В и выполнять формирователи пилообразного напряжения более простыми.

Формула изобретения

1. Формирователь пилообразного напряжения, содержащий операционный усилитель, два последовательно соединенных резистора цепи отрицательной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения первого входного напряжения, а точка соединения этих резисторов - к инвертирующему входу операционного усилителя, два последовательно соединенных резистора цепи положительной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения второго входного напряжения, а точка соединения этих резисторов - непосредственно или через дополнительный резистор к неинвертирующему входу операционного усилителя, параллельно соединенные первый ключ и конденсатор, который заряжается постоянным током через резистор цепи положительной обратной связи, отличающийся тем, что снабжен дополнительным конденсатором, включенным между выходом операционного усилителя и выходным выводом формирователя, элементом сопротивления, включенным между выходным выводом формирователя и источником питания, а также вторым ключом, включенным параллельно дополнительному конденсатору и коммутируемым синхронно с первым ключом.

2. Формирователь по п.1, отличающийся тем, что элемент сопротивления выполнен в виде стабилизатора тока, соединенного последовательно с диодом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3