Лабораторная работа №7
«Исследование генератора пилообразного напряжения»
Цель работы:
Изучить принцип формирования напряжений треугольной и пилообразной формы.
Приборы и оборудование
: Лабораторный макет «Генератор импульсов треугольной и пилообразной формы».
Генераторы пилообразных импульсов

Общие сведения
Пилообразный импульс (рис. 1) составляется двумя фронтами. Передний фронт (прямой, или рабочий ход) является линейно изменяющимся напряжением или током. Задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону. Пилообразный импульс характеризуется начальным уровнем U 0 , амплитудой U m, длительностями прямого (t пр ) и обратного (t обр ) и ходов, а также средней скоростью К нарастания переднего фронта. Отклонение этого фронта от строго линейного оценивается коэффициентом нелинейности , min min max К К К    (1) где max К - модуль скорости в начале фронта; min К - аналогичный параметр в конце фронта. Линейно изменяющуюся функцию можно представить как результат интегрирования во времени постоянной величины:   t Kt Kdt 0 Поэтому линейно изменяющееся напряжение (ЛИН) получают с помощью интегратора, к входу его подключают постоянное напряжение, и, таким образом, он оказывается генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). ГЛИН (интегратор) содержит конденсатор, на котором формируется линейно изменяющееся напряжение, цепи зарядки и разрядки. Так как скорость зарядки (разрядки) конденсатора пропорциональна току через него, то можно записать в виде , Скон Скон Снач I I I    (2) где Снач I и Скон I - токи конденсатора соответственно в начале и в конце формирования ЛИН. Важным параметром ГЛИН является коэффициент использования напряжения источника питания, показывающий, насколько амплитуда пилообразного импульса меньше предельно возможной: , ) ( 0 U E U m    (3) где Е – напряжение источника питания; U m и U 0 обозначены на рис.1.
Генераторы линейно изменяющегося напряжения
Простейшие генераторы ЛИН. При невысоких требованиях к линейности напряжения специальных ер для стабилизации тока конденсатора не принимают, имея в виду, что в начале зарядки (разрядки) он меняется мало. Действительно, за время t = 3 τ (где τ – постоянная времени цепи зарядки) конденсатор заряжается до напряжения U = 0,95 Е (где Е – напряжение источника). Если же выбрать τ много больше требуемой
длительности прямого хода «пилы» (t пр ), то за время t пр конденсатор успеет зарядиться до напряжения u C , составляющего незначительную часть напряжения Е. поэтому ток зарядки (рис. 2, а ) R u E R u i C R ) ( 3    (4) меняется незначительно. Линейность напряжения на конденсаторе в начале зарядки иллюстрирует рис. 2, б, где начальный, относительно линейный участок экспоненты соответствует переднему фронту формируемого пилообразного импульса. Схемы ГЛИН, в которых не предусмотрена стабилизация тока конденсатора, изображены на рис. 3, а и 4. Каждая из них представляет собой интегрирующую RC – цепь, дополненную транзисторным каскадом, коммутирующим конденсатор с зарядки на разрядку. В исходном состоянии транзистор Т (рис. 3, а) насыщен. Поэтому напряжение на его коллекторе и конденсаторе С u K = u C = u Cmin ≈ 0. Обычно длительность обратного хода «пилы» t обр намного меньше t пр . С учетом этого параметры схемы должны удовлетворять неравенству: τ 3 >> t пр >> τ р где τ р – постоянная времени разрядки конденсатора. Установим для данной схемы связь между коэффициентом нелинейности и коэффициентом использования напряжения источника. Если по сравнению с Е к пренебречь напряжением на насыщенном транзисторе и напряжением на резисторе R k от обратного тока I к0 , то начальный и конечные токи в процессе зарядки конденсатора: K K Снач R Е I  ; , ) ( K m K Скон R U Е I   где Um – напряжение на конденсаторе в момент окончания управляющего импульса. Подставив эти выражения в выражение (2) и считая U m << E K , получим K m E U   (5) Так как начальное напряжение на конденсаторе UC0 ≈ 0 (транзистор насыщен), то в соответствии с выражением (3) коэффициент использования напряжения источника питания
K m E U   . (6) Сравнивая (5) и (6), видим, что для рассматриваемой схемы коэффициенты  и  численно равны. Если, например, задаться нелинейностью  =1%, то амплитуда U m пилообразного импульса составляет только 0,01 Е к и для получения U m = 1 В необходимо располагать источником питания напряжением Е = 100 В. Исследуемая схема:
Порядок выполнения:
1. Включить стенд и переключателем выбрать нужный макет. 2. Включить осциллограф, включить генератор треугольных импульсов. 3. Изменяя величину сопротивления поучить на экране осциллографа треугольную форму импульса. 4. Изменяя величину ёмкости вновь зарисовать осциллограммы импульсов. 5. Включить генератор пилообразного напряжения, проделать те же измерения что в п.3 и 4. 6. Рассчитать амплитуду напряжений треугольной и пилообразной формы. 7. Рассчитать длительность сигнала треугольной и пилообразной формы для каждого измерения. 8. Рассчитать частоту измеряемых сигналов для всех измерений. 9. Сделать выводы. 10. Ответить на контрольные вопросы.
Содержание отчёта
: 1. Схема лабораторного макета.
2. Осциллограммы измеряемых сигналов всех измерений. 3. Расчёт амплитуды треугольной и пилообразного напряжения. 4. Расчёт частоты и длительности сигнала. 5. Вывод по работе.
Контрольные вопросы
: 1. Дать определение рабочего или прямого хода. 2. Дать определение обратного хода. 3. Чем характеризуется пилообразный импульс, перечислить. 4. Что такое коэффициент нелинейности. 5. Дать определение коэффициента использования напряжения. 6. Как зависит длительность импульса от изменения величины ёмкости и сопротивления.