МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА" ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕНЕРАТОРА ПИЛОПОДІБНОЇ НАПРУГИ ІНСТРУКЦІЯ до лабораторної роботи №6 з курсу "ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ" для студентів спеціальності 7.0914.02 "Комп’ютеризовані системи управління і автоматики" усіх форм навчання Затверджено на засіданні кафедри "Автоматика і телемеханіка" Протокол № 1 від 3.09. 1998 р. Львів 1999 Дослідження генератора пилоподібної напруги. Інструкція до лабораторної роботи №6 з курсу "Елементи дискретних пристроїв автоматики" для студентів спеціальності “Комп’ютеризовані системи управління і автоматики” усіх форм навчання / Укл. В.Б.Дудикевич, В.М.Максимович, О.С.Вітер. - Львів: ДУЛП, 1999. - 11 с. Укладачі: В.Б.Дудикевич, докт. техн. наук, проф., В.М.Максимович, канд. техн. наук, доц., О.С.Вітер, ст. викл. Відповідальний за випуск: І.М.Ковела, к.т.н., доц. Рецензенти: З.Р.Мичуда , З.М.Стрілецький кандидати техн. наук, доценти 1. МЕТА РОБОТИ Метою роботи є ознайомлення з принципом роботи транзисторного генератора пилоподібної напруги, експериментальна перевірка розрахункових співвідношень, дослідження впливу елементів схеми на основні її параметри. 2. ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП Генератор пилоподібної напруги (ГПН) використовують для розгортки променю в електронно-променевих трубках, при вимірюванні часових інтервалів, створенні часової затримки імпульсних сигналів, перетворенні напруги в імпульси, тривалість яких пропорційна цій напрузі, тощо. Напругу пилоподібної форми звичайно отримують з допомогою ємнісної інтегруючої ланки чи інтегруючого підсилювача, періодично заряджаючи і розряджаючи конденсатор. З цієї причини генератори пилоподібної напруги часто називають інтеграторами. Спрощена схема ГПН зображена на рис. 1а, де
і
утворюють інтегруючу ланку, а ключ
необхідний для переключення конденсатора
з зарядки на розрядку і навпаки.
Опір
можна розглядати як винесений опір замкненого ключа. На рис.1б зображена форма напруги, що формується при періодичному замиканні і розмиканні ключа. Ця напруга характеризується такими параметрами:
- тривалість робочого (прямого) ходу;
- тривалість відновлення (тривалість зворотного ходу);
- період повторення;
- амплітуда;
- коефіцієнт використання напруги живлення;
- коефіцієнт нелінійності;
- відносна похибка зміщення по амплітуді;
- відносна похибка зміщення по часу. Коефіцієнт нелінійності показує ступінь відхилення реальної напруги від ідеальної, що змінюється лінійно, і визначається формулою:
, (1) де
і
- максимальна і мінімальна похідні по часу від напруги на конденсаторі. Звичайно максимальна похідна відповідає початковій ділянці пилоподібної напруги, а максимальна - кінцевій. Пов’язуючи відомою залежністю (
) струм через конденсатор з напругою на ньому, вираз (1) можна записати в такому вигляді:
, де
і
- максимальне і мінімальне значення струму через конденсатор,
- амплітуда струму. Похибки зміщення по часу і по амплітуді характеризують лінійність реальної пилоподібної напруги. Вони визначаються при заміні напруги на конденсаторі прямою, що збігається з нею в двох точках, наприклад, на початку і в кінці робочого ходу (рис. 1б). У цьому випадку між максимальними похибками зміщення і коефіцієнтом нелінійності існує така залежність:
. Ідеально лінійно напругу на конденсаторі можна отримати тільки у тому випадку, якщо струм, що протікає через конденсатор постійний. Розглянемо принцип роботи найпростішого генератора. При зарядженні конденсатора від джерела постійної напруги (рис. 1а) струм заряду дорівнює
і, при збільшенні
,
зменшується. Для підтримання постійного струму
опір
в процесі зарядження необхідно зменшувати. Для цього як зарядний опір необхідно використати струмостабільний нелінійний двополюсник
(рис.2а), вольт-амперна характеристика якого наведена на рис. 2б (штрихова лінія). В реальних умовах близькими за формою до ідеальної є вольт-амперні характеристики пентодів, тріодів з глибоким від’ємним оберненим зв’язком і транзисторів (суцільна крива на рис. 2б).
Зарядний струм можна також стабілізувати, якщо послідовно з
включити джерело
(рис 3), напруга якого змінюється за тим самим законом, що й напруга на конденсаторі
, але у протифазі з нею. У цьому випадку
.
Якщо
, то
. Такий метод стабілізації називається компенсаційним. Залежно від того, яким чином формується напруга
, розрізняють схеми ГПН з додатним чи від’ємним зворотним зв’язком. Розглянуті методи стабілізації зарядного струму справедливі і у тих випадках, коли робочий хід пилоподібної напруги формується в процесі розрядження конденсатора. Якщо як ключ
(рис. 1а) використовуються електронні лампи, транзистори, газорозрядні прилади, а також керовані діоди, що включаються і виключаються з допомогою зовнішніх керуючих імпульсів, то такі генератори називаються керованими ГПН. Час робочого ходу керованих ГПН дорівнює тривалості керуючих імпульсів. Часто керовані ГПН об’єднують з релаксаційними генераторами, в результаті чого конденсатор із зарядки на розрядку переключається автоматично при переході релаксаційного генератора з одного квазістійкого стану в інший. Такі генератори називаються автоколивними ГПН. Як і релаксаційні, такі генератори можуть працювати в режимі очікування, коли для запуску необхідний імпульс короткої тривалості, а також в режимі синхронізації. Стабільність пилоподібної напруги характеризується ступенем зміни його основних параметрів (амплітуди, тривалості робочого ходу і коефіцієнтом нелінійності) при зміні кліматичних умов (температури, вологості, тиску), параметрів схеми ГПН і напруги живлення. Нестабільність параметрів напруги, що генерується, звичайно описується абсолютним відхиленням даного параметра від його початкового значення, віднесеним до цього початкового значення: нестабільність амплітуди
; нестабільність тривалості робочого ходу
; нестабільність коефіцієнта нелінійності
. Найбільш жорсткі вимоги ставляться до
і
. Розглянемо генератор з розрядним транзистором, включеним за схемою зі спільною базою (рис. 4). При відсутності керуючих імпульсів транзистори
і
відкриті і конденсатор
заряджений до максимальної напруги
, де
- тепловий струм колектора транзистора
. Малий опір включається в коло колектора
тільки для створення насиченого режиму його роботи, що дозволяє зменшити час відновлення:
, де
- максимальний колекторний струм транзистора
в режимі переключення. При надходженні закриваючого імпульсу (для транзистора типу p-n-p додатної полярності) транзистор
закривається і конденсатор
починає розряджатися (рис. 4в). Оскільки вихідний опір транзистора
великий (
), то колекторний струм при розрядженні конденсатора залишається майже постійним. Коефіцієнт нелінійності
, де
- вихідний опір транзистора
включеного за схемою із спільною базою;
- коефіцієнт підсилення емітерного струму:
.
Оскільки із збільшенням температури збільшується
, а
зменшується, то в розрахунковій формулі величиною
можна знехтувати. Крім того,
(
, тому при розрахунках користуються спрощеною формулою
. Амплітуда пилоподібної напруги, яка може бути отримана в генераторі (якщо за час
конденсатор
не розрядиться до напруги
), визначається виразом:
. Відносну нестабільність амплітуди знаходять із формули:
, де
- зміна теплового струму в робочому інтервалі температури. Якщо розрахунок вести із врахуванням максимальної амплітуди, то при заданій тривалості керуючого імпульсу ємність конденсатора необхідно визначати за формулою:
. Після закінчення дії керуючого імпульсу транзистор
відкривається і починається заряд конденсатора
через
до напруги
. Час відновлення генератора розраховують за формулою:
. Для забезпечення насиченого стану транзистора
необхідно виконати умову:
, де
- коефіцієнт підсилення базового струму транзистора
. Такий генератор забезпечує коефіцієнт нелінійності близько 0,5% і тривалість робочого ходу від одиниць до декількох тисяч мікросекунд. Коефіцієнт використання має значення приблизно 0,9%. Однак в широкому діапазоні робочих температур амплітуда пилоподібної напруги може значно змінюватись як за рахунок зміни струму
, так і за рахунок зменшення
, що особливо виявляється в діапазоні від’ємних температур. Більш стабільна схема може працювати при ненасиченому режимі роботи транзистора
, тому що спеціальним підбором параметрів схеми можна компенсувати взаємну зміну параметрів транзисторів
і
. 3. ЗМІСТ РОБОТИ 1. За завданням викладача розрахувати генератор пилоподібної напруги з розрядом через транзистор, що включений за схемою із спільною базою (рис. 4б). Вихідні дані для розрахунку: коефіцієнт нелінійності, час робочого ходу, час відновлення, напруга живлення, коефіцієнт використання напруги живлення, нестабільність амплітуди. 2. За отриманими даними зібрати схему і перевірити відповідність розрахункових даних експериментальним. Пояснити причини розходження. 3. Зарисувати з екрану осцилографа осцилограми напруг в основних точках схеми. 4. Експериментально визначити залежність часу відновлення від
для декількох значень. Графічно зобразити отриману залежність. 5. Визначити залежність крутизни пилоподібної напруги і коефіцієнта використання напруги живлення від режиму струмостабілізуючого транзистора (струму емітера). 6. Визначити залежність крутизни пилоподібної напруги і коефіцієнта використання напруги живлення від величини ємності для декількох значень.
4. ВКАЗІВКИ ДО ЗВІТУ Звіт повинен містити: 1. Принципові схеми пристроїв, що досліджувались. 2. Результати експериментальних досліджень, зведені в таблиці і зображені у вигляді графіків. 3. Епюри напруг. 4. Порівняння теоретичних і експериментальних результатів, аналіз причин можливих розбіжностей, висновки. 5. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1. У чому полягають принципи побудови генераторів пилоподібної напруги? 2. У чому полягає принцип роботи генератора пилоподібної напруги з розрядом конденсатора через транзистор? 3. Від чого залежить час відновлення генератора пилоподібної напруги з розрядом конденсатора через транзистор? 4. Як впливає зміна температури навколишнього середовища на параметри генератора пилоподібної напруги з розрядом конденсатора через транзистор? СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства. Учебник для вузов. М., Связь, 1973. 2. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч. 1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник/ Под общ. ред. А.А.Краснопрошеной.-К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. 3. Мандзій Б.А., Желяк Р.І. Основи аналогової мікросхемотехніки. Посібник для студентів радіотехнічних спеціальностей вузів України/ Під редакцією д.т.н. проф. Мандзія Б.А.-Львів, “Тезаурус”, 1993. Навчальне видання ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕНЕРАТОРА ПИЛОПОДІБНОЇ НАПРУГИ ІНСТРУКЦІЯ до лабораторної роботи №6 з курсу "ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ" для студентів спеціальності 7.0914.02 "Комп’ютеризовані системи управління і автоматики" усіх форм навчання Укладачі: Валерій Богданович Дудикевич Володимир Миколайович Максимович Олександр Сергійович Вітер Редактор О. Губарева