Схемы генераторов сигналов треугольной формы

Как построить высококачественный генератор треугольных им­пуль­сов с высокой линейностью выходного сигнала. Он-лайн калькулятор расчёта элементов генератора

Не буду углубляться в дебри и пытаться нарыть все области, в которых могут найти себе применение генераторы импульсов треугольной формы, отмечу лишь, что такие области есть и их немало.

Треугольный сигнал - это сигнал, в котором напряжение периодически линейно нарастает до некоторого максимального значения, потом линейно убывает до некоторого минимального и т. д. с постоянной частотой.
Причём, в отличие от своего близкого кореша - сигнала пилообразной формы, скорость нарастания и убывания треугольного сигнала одинаковы, а его график относительно центральной оси является полностью симметричным.

Рассматривать простейшие конструкции на одном операционном усилителе, либо расхожие схемы, выполненные на 555 таймере, в рамках данной статьи мы не станем ввиду крайне низкой линейности последних. Поэтому остановимся на схемах, позволяющих получить удобоваримые результаты как с точки зрения линейности, так и с точки зрения частотных характеристик изделия.

Итак, классика жанра - схема генератора треугольного и прямоугольного напряжений, выполненная на связке: триггер Щмитта + интегратор (Рис.1).

Рис.1

Этот генератор состоит из последовательно включенных триггера Щмитта и интегратора.
Интегратор, как ему и положено, интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение.
Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера. Изменяя постоянную интегрирования R1C1, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения.

Амплитуда треугольного напряжения зависит от установки посредством резисторов R2 и R3 уровней срабатывания триггера Щмитта. В нашем случае амплитудное значение колебаний равно:
U_вых = U_тр+ = lU_тр-l = U_нас*R2/R3, где U_нас - это напряжение насыщения операционного усилителя (паспортная характеристика ОУ при заданном питании).
Период колебаний генератора Т = 4R1*C*R2/R3 равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменилось от Uтр- до Uтр+.
Частота колебаний генератора равна: F = 1/Т = R3/(4R1*C*R2).

Сдобрим пройденный материал онлайн калькулятором. Расчёты проведём для схемы с Рис.1.

Расчёт элементов генератора сигналов треугольной формы

Номинал резистора R1 (кОм)
Номинал резистора R2 (кОм)
Номинал резистора R3 (R3 должен быть > R2)
Ёмкость конденсатора С1		пФ нФ мкФ
Напряжение насыщения ОУ (на крайняк Еп) (В)
Период колебаний
Частота колебаний
Выходное напряжение Uтр+

Теперь пару слов о грустном, вернее о том, что, как правило, не упоминается в различных источниках информации.
Формирование идеальных треугольных импульсов предполагает наличие очень высокого параметра усиления ОУ. Значение скорости нарастания выходного напряжения операционника также должно устремляться в бесконечность. И если с Ku современных полупроводников проблем не возникает (он достигает десятков-сотен тысяч), то найти недорогой и широкополосный операционник для получения "хороших" треугольных импульсов (с нелинейностью менее 1%) весьма проблематично.

А что нам говорит практика? А практика на говорит, что для того, чтобы получить на выходе генератора треугольный сигнал с приемлемым (единицы % и ниже) коэффициентом нелинейности необходимо соблюсти следующие условия: частота единичного усиления операционника, работающего в качестве интегратора, должна быть не менее, чем в 100 раз выше максимальной частоты генератора, а полоса ОУ, работающего в качестве триггера, должна превышать частоту генератора уже в 1000 раз и выше.

Давайте проиллюстрируем сказанное выше.
Для начала соберём схему, приведённую на Рис.1, с использованием популярного сдвоенного операционного усилителя LM833. Казалось бы: полоса пропускания - 15МГц, скорость нарастания выходного напряжения - 7В/мксек. Что ещё надо для того, чтобы построить генератор треугольника на весь звуковой диапазон?
А теперь глянем на осциллограммы.



Рис.2

На Рис.2 слева представлена осциллограмма выходного сигнала с частотой 1кГц, справа - 10кГц. На 60кГц выходной сигнал приобретает форму, близкую к синусоиде, ещё выше - генерация срывается.

Теперь заменим LM833 на более быстродействующую AD826 со следующими параметрами: частота единичного усиления - 50МГц, но главное, скорость нарастания выходного напряжения - 350В/мксек!



Рис.3

На Рис.3 слева приведена осциллограмма выходного сигнала генератора на частоте 10кГц, причём форма сигнала имеет приличную линейность вплоть до частоты 160кГц (Рис.2 справа). Генератор сохраняет устойчивую работу до частоты 200кГц.

Дальнейшее увеличение частотного диапазона колебаний генератора при сохранении приемлемой линейности, можно осуществить, заменив триггерный каскад на ОУ на триггер Шмитта, выполненный на быстродействующем логическом элементе 74HC14, с временем задержки переключения - около 10нсек (Рис.4).

Рис.4

При использовании в интеграторе микросхемы AD826, запитанной двухполярным напряжением ±12В, диапазон высокой линейности треугольника составляет 0...500кГц, при этом работоспособность генератора сохраняется до частот в несколько мегагерц. При питании микросхемы от однополярного источника +6В частотный диапазон сужается ~ в 2...2,5 раза.
Амплитуда треугольных импульсов равна величине напряжения гистерезиса микросхемы 74HC14 и при Vcc=6В составляет ≈ 1,2В.