Генератор напряжения меандра

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 03 К /023 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Изобретение отн технике и может Ьы контрольно-измеритЦель изобретени бильности границ д кого изменения час го тся к импульсн использовано в аппаратуре ышение ста иапазоты а цикличесвторения выении питаюналов при изме жения,1 показана схе г.2 - временны ых си щего напр На фигс первого3 типа и-рды, первый ор 6, с пе Устройство содержит третий транзисторы 1 первый 4 и второй 5 ди времязадающий конденса У ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Патент США У 4692717,кл. Н 03 К 3/023, 1987.Гребен А,Б. Проектирование аналоговых интегральных схем, - И.: Энергия, 1976, с. 203, рис. 9-25.(54) ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ МЕАНМРА(57) ИзоЬретение относится к импульсной технике и может использоватьсяв контрольно-измерительной аппаратуре. Цель изобретения - повышение стабильности границ диапазона циклического изменения частоты повторения выходных сигналов при изменении питающего напряжения, Мля этого в генератор, содержащий транзисторы 1,2,3,12801529417 13, диоды 4,5, резисторы 7-11, конденсатор 6, дополнительно введеныкомпараторы 14,18, операционный усилитель 22, транзисторы 26-28, диоды29,30, конденсатор 31, резисторы32-42. Компаратор 18, конденсатор 31,транзисторы 27, 28 обеспечивают формирование линейно изменяющегося напряжения, которое управляет током генератора тока на операционном усилителе 22 и транзисторе 26. Величинаэтого тока определяе 1 частоту импульсов, формируемых схемой на компараторе 14, конденсаторе 6, транзисторах3, 12. Влияния напряжения питания навеличину зарядного тока и на величинупорогов срабатывания компараторов 14,18 уравновешивают друг друга, благодаря чему границы диапазона генерируемой частоты стабильны. 2 ип,по пятый резисторы 7-11, четвертый 12 и пятый 13 транзисторы типа п-р-п, первый компаратор 14 с инвер тирующим входом 15, неинвертирующим входом 16 и выходом 17, второй комп ратор 18 с инвертирующим входом 19, неинвертирующим входом 20 и выходом 21, операционный усилитель 22 с инвертирующим входом 23, неинвертирую щим входом 24 и выходом 25, шестой транзистор 26 типа р-п-р, седьмой -ранзистор 27 типа р-п-р, рвосьмой транзистор 28 типа и-р-и, третий 29 и четвертый 30 диоды, второй время- задающий конденсатор 31, с шестого по шестнадцатый резисторы 32-42, ши1529417 43 питающего напряжения и выходнуюшину 44,Эмиттер первого транзистора 1 соединен с эмиттером второго транзисто 5ра 2 и коллектором третьего транзистора 3, эмиттер которого соединен санодами диодов 4, 5, 29 и 30, однимвыводом первого времязадающего конденсатора 6 одним выводом второговремяэадающего конденсатора 31, эмиттерами четвертого транзистора 12,транзисторов 13 и 28, одним выводомчетвертого резистора 10, одним выводом пятого резистора 11, одним выводом пятнадцатого резистора 41 и скорпусом (общей шиной) устройства,а база первого транзистора 1 - с катодом первого диода 4 и с одним выводом шестого резистора 32. База первого транзистора 1 соединена с его жеколлектором, Ьаэой второго транзистора 2 и коллектором шестого транзистора 26 типа р-п-р, база которого соединена с выходом 25 операционногоусилителя 22, а эмиттер - с однимвыводом первого резистора 7 и инвертирующим входом 23 операционного усилителя 22, Коллектор транзистора 2соединен с другим выводом первоговремязадающего конденсатора 6 и неинвертирующим входом 16 первого компаратора 14, Катод второго диода 5 соединен с Ьазой четвертого транзистора12 и одним выводом восьмого резистора 34, Другой. вывод первого резистора7 соединен с одним выводом второгорезистора 8, одним выводом третьегорезистора 9, одним выводом девятогорезистора 35, с одним выводом четырнадцатого резистора 40 одним выводомшестнадцатого резистора 42 и шиной 43,Другой вывод второго резистора 8 соединен с другим выводом четвертогорезистора 1 О, одним выводом седьмого 45резистора 33,и инвертирующим входом15 первого компаратора 14, выход которого соединен с другим выводомтретьего резистора 9, другим выводомшестого резистора 32, другим выводом.восьмого резистора 34 и выходной шиной 44. Другой вывод пятого резистора11 соединен с одним выводом десятогорезистора 36, другим выводом девятогорезистора 35 и инвертирующим входом19 второго компаратора 18, неинвертирующий вход 20 которого соединен снеинвертирующим входом 24 операционного усилителя 22, другим выводом второго времязадающего конденсатора 31,одним выводом тринадцатого резистора39 и коллектором седьмого транзистора 27, а выход 21 - одним выводом одиннадцатого резистора 37 и одним выводом двенадцатого резистора 38. Коллектор четвертого транзистора 12 соединен с другим выводом седьмого резистора 33. Коллектор пятого транзистора13 соединен с другим выводом тринадцатого резистора 39 а база - с катодом третьего диода 29 и другим выводом одинадцатого резистора 37. Эмиттер седьмого транзистора 27 соединен сдругим выводом четырнадцатого резистора 40, а база - с другим выводом пятнадцатого резистора 41 и другим выводом шестнадцатого резистора 42. Коллектор восьмого транзистора 28 соединен с другим выводом десятого реэистора 36, а база указанного транзистора с катодом четвертого диода 30 и другим выводом двенадцатого резистора 38. Устройство работает следующим оЬ- разом.После включения питающих напряжений второй времяэадающий конденсатор 31 в первый момент остается незаряженным; напряжение на неинвертирующем входе 20 второго компаратора 18 равнонулю. На выходе второго компаратора18 выраЬатывается отрицательное напряжение. Это напряжение, передаваясьчерез двенадцатый резистор 38 на катод четвертого диода 30, отпирает последний, Напряжение отсечки прямосмещенного четвертого диода 30 приложено к эмиттерному переходу восьмоготранзистора 28, который заперт. Коллекторный ток через десятый резистор36 не протекает, этот резистор в данном состоянии схемы не шунтирует делитель из резисторов 11 и 35. На выходе данного делителя вырабатываетсявысокий уровень постоянного напряжения +11 полученный в результатеделения напряжения питания, поданногона шину 43. С выхода делителя напряжения +0 поступает на инвертирующийвход 19 второго компаратора 18 и задает верхний порог срабатывания этогокомпаратора. Второй времязадающий конденсатор 31 начинает заряжаться постоянным током, который создает токостабилиэирующий каскад на седьмомтранзисторе 27. По мере заряда второ.го времяаадающего конденсатора 3 1коллекторным током седьмого транзис5 1529 тора 27 напряжение на указанном конденсаторе 31 нарастает и, когда оно превысит пороговый уровень +Бна инвертирующем входе 19 второго компаратора 18, последний переключается и на его выходе 21 создается положительный уровень выходного напряжения. Это напряжение создает прямой ток в цепи, образованной десятым резистором 36 и омиттерным переходом восьмого транзистора 28. Этим прямым током Ьазы восьмой транзистор 28 насыщен, Десятый резистор 36 через выходную цепь насыщенного восьмого транзистора 28 подключается параллельно пятому резистору 11. Коэффициент деления напряжения резисгивного делителя уменьшится и на инвертирующем входе 19 второго компаратора 18 установится низкий уровень порогового напряжения +П,ь. Кроме того, положительное напряжение, действующее на выходе 21 второго компаратора 18, включает пятый транзистор 13 типа п-р-п, второйВвремяэадающий конденсатор 31, зарядившийся до напряжения +11, начинает разряжаться на корпус через двенадцатый резистор 39, ограничивающии ток разряда, и выходную цепь насыщенного пятого транзистора 13. Напряжение на втором времязадающем конденсаторе 31 Ьыстро уменьшается. Когда оно снизится до порогового значения + второй компаратор 18 переключается, и на его выходе 21 вырабатывается отрицательное напряжение. Третий и четвертый диоды 29 и 30 включаются, транзисторы 13 и 28 запираются. Напряжение на инвертирующем входе 19 второго компаратора 18 вновь принимает значение +Б, второй времязада - ющий конденсатор 31 вновь начинает заряжаться. Таким образом, при работе устройствэ на втором времязадающем конденсаторе 31 формируется управляющее напряжение, минимальное мгновенное значение которого равно +С максимальное - +1;1 (фиг.2 а). Время обратного хода этого напряжения значительно меньше времени прямого хода, Время прямого хода, соответствующее нарастанию напряжения от значения +Ь, до значения +Б, пракически равно периоду изменения управляющего напряжения и определяет длительность цикла изменения частоты выходного сигнала устройства. Указанное управляющее напряжение с коллектора седь 417 50 5 10 15 20 25 30 35 40 мого транзистора 27 типа р-и-р поступает на неинвертирующий вход 24 операционного усилителя 22.Времязадающий конденсатор 6 определяет частоту колебаний генератора импульсов на первом компараторе 14, Когда напряжение на выходе 17 этого компаратора отрицательно, диоды 4 и 5 открыты. Напряжение отсечки первого диода 4, приложенное к эмиттерному переходу третьего транзистора 3, запирает указанный транзистор. Анагогично напряжение отсечки на открытом втором диоде 5 запирает четвертый транзистор 12, Коллекторный ток четвертсго транзистора 12 через седьмой резистор 33 в данном состоянии не протекает, седьмой резистор 33 не шунтируег чегвертый резистор 10 резистивного делителя, образованного резисторами 8 и 10. На выходе этого делителя оЬразуется высокий уровень выходного напряжения +Ц , который поступает на инвертирующий вход 15 первого компаратора 14. При запертом третьем транзисторе 3 коллекторный ток токозадающего шестого транзистора 26 замыкается через коллекторный переход второго тоа;зистора 2 и обеспечивает заряд гервогс времязадающего конденсатора 6, Напря. жение нг первом времязадающем конденсаторе 6 нарастает по линейному закону (фиг.2 б). Когда это напряжение перейдет пороговый уровень +0 , зада - ный на инвертирующем входе 1 5 первого компаратора 14, последний переключается и на его выходе образуется положительное выходное напряжение. При этом восьмой резистор 34 задае прямой ток базы четвертого транзистора 12 и указанный транзистор насыщается.Через малое выходное сопротивление насыщенного четвертого транзистора 12 седьмой резистор 33 вклюцен параллельно четвертому резистору 10 резистивного делителя. Выходное напряжениеделителя, поступающее на инвертирующий вход 15 первого компаратора 14, уменьшается и принимает нижний пороговый уровень +1. Кроме того, положительное напряжение на выходе 17 первого компаратора 14 через шестой резистор 32 задает прямой ток Ьазы третьего транзистора 3. При наличиипрямого тока базы достаточной величины третий транзистор 3 насыщается.Через насыщенный транзистор 3 эмиттеры транзисгоров 1 и 2 связаны с кор1529417 пусом устройства. Включение транзисторов 1 и 2 обеспечивает прием, в импульсной технике называемый токовым зеркалом, Ток коллектора второго транзистора 2 имеет практически то же5 значение,что и при заряде первого времязадающего конденсатора 6. Таким током первый времязадающий конденсатор 6 разряжается. Напряжение на нем уменьшается по линейному закону, Когда это напряжение снижается до значения + Б, первый компаратор 14 переключается. Напряжение на его выходе 17 вновь становится отрицательным, что приводит к запиранию транзисторов 3 и 12 и к изменению порогового уровня на инвертирующем входе 15 первого компаратора 14 до значения +11, Начинается новый цикл зарядкиО 4первого времязадающего конденсатора Ь.Ток коллектора шестого транзистора 26 зависи. ог значения управляющего напряжения на неинвертирующем входе 24 операционного усилителя 22. По ме ре увеличения управляющего напряжения ток коллектора шестого транзистора 26 уменьшается, Период колебаний генератора на первом компараторе 14 увепичивается (Фиг,2 а-в). Таким образом, в течение цикла перестройки уменьшается частота выходных меандроных колебаний от значения Р, до значения Р,Значения Р и Р стабильны и мало зависят от отклонений питающего напряжения Е на шине 43. Вызвано это35 тем, что при изменении питающего напряжения пороги срабатывания и зарядный ток изменяются так, что период колебаний остается практически неиз 40 менным, При наличии токового зеркала длительность ьпрямого хода напряжения на первом времяэадающем конденсаторе 6 практически равна длительности обратного хода ь , т,е, период45 колебаний Т равен 2,. Это справед" ливо и для максимального периода, соответствующего граничной частоте Р, и для минимального периода, соответствующего граничной частоте Р . Таким образом, о стабильности частот Р и Р можно судигь по стабильностилвремени прямого хода с,. Частоте Р соответствует время , , частоте Р - время маис . Справедливо соотемкость первого времязадающег о конденсатора 6; И - амплит уда напряжения на нем; 1 мак- максимальный ток эарядки конденсатора 6 в данном устройстве. Можно считать что И =-К Ем -К Е, где К, - коэффициент деления питающего напряжения Е, обеспеченный делителем из резисторов 8 и 10, когда резистор 33 с помощью транзистора 12 отключен от корпуса и не шунгирует цепи делителя; К- коэффициент деления питающего напряжения, когда резистор 33 с помощью транзистора 12 включен параллельно резистору 10. Следовательно, Бм=(К, -К)Е. Зарядный ток максимален при нижнем значении управляющего напряжения на входе 24 операционного усилителя 22.Можно считать, что 1 (1 1 а.мин) /з мак/Кт, где Кт - сопротивление резистора 7. Минимальное напряжение 11 пр,мин задается делителем из резисторов 11, 35 и 36 и соответствует состоянию, когда резистор 36 с помощью ключевого транзистора 28 включен параллельно резистору 11. Обеспеченный реэистивным делителем коэффициент деленияобозначим Кэ . Тогда 1 , .Е(1-К) //Ка , , . , =С,К(К,-К ,) / (1-К , ) . Время прямого хода "., ми не зависит от пиающего напряжения Е, а определяется лишь постоянной времени цепи СК и коэффициентами деления напряжения К Ки К, которые задают резистинные делители устройства,йналогично время прямого хода макисимально и равно ь ;, когда зарядный ток конденсатора О минимален и равен 1 м. Зарядныи ток минимален, когда управляющее напряжение на входе 24 операционного усилителя 22 максимально, Максимальное напряжение на втором времязадающем конденсаторе 31 и входе 24 операционного усилителя 22 получается в том случае, когда транзистор 28 типа и-р-и выключсн и отключает резистор 36 от резисгивного делителя 11-35, В этом случае делитель иэ резисторов 11 и 35 задает верхний пороговый уровень К Е, равный максиммальному значению управляющего напряжения. Так как амплитуда 1,м напряжения на первом времязадающем конденсаторе 6 при перес гройке час готы не избменяется 1 то аналогично г, ми, получим:сп, мсис -.Кг(Кд К,ьд )/,1 Кда.)Значение щ, са с едовательно, и частота повторения Р, слона оказываются независимыми о пивещего напряжения Е, а определяемся лишь посго 1529417янными параметрами схемы: постоянной времени цепи Сб Кт и коэффициентами деления КК и К. Действительно, некоторая (очень небольшая) зависимость от пиающего напряжения сохра 5 няется, например, потому, что напряжение на насыщенном транзисторе 20 несколько увеличивается при росте питающего напряжения. Однако при при 10 ближенных оценках можно считать, что период колеЬаний в данном устройстве от питающего напряжения практически не зависит и остается неизменным при изменении питающего напряжения в широких пределах (имеется в виду, что изменение питающего напряжения является медленным и за один цикл колеЬа-, ний изменение питающего напряжения исчезающе мало).Формула и з о Ь р е т е н и яГенератор напряжения меандра, содержащий первый транзистор типа п-р-п, второй транзистор типа п-р-п, Ьаза которого соединена с коллектором и 25 Ьазой первого транзистора типа п-р-п, третий транзистор типа п-р-п, коллектор которого соединен с эмиттерами первого и второго транзисторов типа и-р и, первый и второй диоды, аноды которых соединены, первый времязадающий конденсатор, первый, второй и третий резисторы. первый вывод каждого из которых соединен с шиной питающего напряжения, четвертый и пятый резисторы, первый вывод каждого из которых соединен с эмиттером третьего транзистора типа п-р-п, с первым выводом первого времхэадающего конденсатора и с общей шиной, четвертый40 и пятый транзисторы типа п-р-п, эмиттеры которых соединены, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности границ диапазона циклического изменения частоты45 повторения выходных сигналов при изменении питающего напряжения, в него введены первый и второй компараторы, операционный усилитель, шестой и седьмой транзисторы типа р-п-р, восьмой транзистор типа п-р-п, третий и четвертый диоды, второй времяэадающий конденсатор, с шестого по шестнадцатый резисторы, причем коллектор первого транзистора типа п-р-и :оединен с коллектором шестого транзистора типа р-п-п, база которого соединена с выходом операционного усилителя, а эмиттер - с вторым выводом первого резистора и инвертирующим входом операционного усилителя, коллектор второго транзистора типа и-р-п соединенс вторым выводом первого времязадающего конденсатора и с неинвертир,ющимвходом первого компаратора, инверирующий вход которого соединен с вторыми выводами второго и четвертого резисторов и с первым выводом седьмогорезистора, а выход - с вторым выводомтретьего резистора, с первыми выводамишестого и восьмого резисторов и свыходной шиной, Ьаэа третьего транзистора типа и-р-п соединена с вторымвыводом шестого резистора и с катодомпервого диода, анод которого соединенс эмиттерами четвертого и восьмоготранзисторов типа п-р-п, анодамитретьего и четвертого диодов, с первыми выводами второго времязадающегоконденсатора и пятнадцатого резистораи с оЬщай шиной, кагод второго диодасоединен с вторым выводом восьмогорезистора и с базой четвертого транзистора типа п-р-п, коллектор которого соединен с вторым выводом седьмогорезистора, второй вывод пятого резистора соединен с первьми пыод,ми девятого и десятого резисторов с ин.вертирующим входом второго компаматора, неинвертирующий вход которогосоединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, с коллекторомседьмого транзистора типа р-п-р, спервым выводом тринадцатого резистораи с вторым выводом второго времяэадающего конденсатора, а выход второгокомпаратора - с первыми выводами одиннадцатого и двенадца гого резисторов,при этом эмиттер седьмого транзис горатипа р-п-р соединен с первь,м аыводомчетырнадцатого резис ора, второй вывод которого соединен с вторым выво.дом девятого резистора, с шиной питающего напряжения и с первым выводомшестнадцатого резистора, второй выводкоторого соединен с базой седьмоготранзистора типа р-и-р и с вторымвыводом пятнадцатого резистора, коллектор пятого транзистора типа п-р-псоединен с вторым выводом тринадцатого резистора, а база - с катодом третьегодиода и с вторым выводом одиннадцатогорезистора, коллектор нос ьмого транзистора типа и-р-и соединен с вторым выводом десятого резистора,а база - с катодом четвертого диода и с вторым выводом двенадцатого резистора.Составитель А.СмирновРедактор И.Пчолинская ТехредЛ.Сердюкова Корре Куска роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагари 7758/54 Тираж 884 Подписное ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, И, Раушская наб., д. 4/5