Генератор пилообразного напряжения

 

Использование: в импульсной технике, в частности в системах развертки изображения. Сущность изобретения: устройство содержит реверсивный n-разрядный счетчик импульсов 1, преобразователь кода в напряжение 2, знакоуправляемый усилитель 3, счетчик импульсов 4, источник напряжения смещения 5. 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве генератора ступенчатого линейно изменяющегося напряжения (ГСЛИН) или генератора импульсов сложной формы с линейно изменяющимися участками.

Известны различные устройства, формирующие линейно изменяющиеся выходные сигналы (напряжение или ток), большинство из которых основано на заряде конденсатора (или индуктивности) через резистор или генератор тока (напряжения), с обратными связями для линеаризации или без них, с зарядом конденсаторов импульсами тока и др.

Недостатками таких устройств являются нелинейность, трудность настройки и поддержания параметров выходного сигнала при изменении нагрузки, большие габариты конденсаторов и индуктивностей и т.д.

Известны ГСЛИН, выполненные с использованием элементной базы цифровой техники, в частности цифроаналоговые генераторы ступенчатого линейно изменяющегося напряжения.

Прототипом является устройство, которое содержит реверсивный n-разрядный счетчик импульсов, n-разрядный преобразователь кода в напряжение (ПКН) и операционный усилитель, причем импульсный вход ГПН связан с входом реверсивного n-разрядного счетчика импульсов, n выходов которого связаны с n входами ПКН, выход ПКН связан с входами операционного усилителя, выход которого связан с выходом устройства.

Однако устройство имеет ограниченное применение, так как без использования специальных ПЗУ или вычислительных средств имеет небольшое разнообразие формируемых сигналов.

Цель изобретения заключается в том, чтобы увеличить объем использования устройства за счет увеличения разнообразия формируемых сигналов без использования средств вычислительной техники, т.е. без усложнения устройства.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее реверсивный счетчик импульсов, счетный вход которого связан с шиной тактовых импульсов, выходы соединены с соответствующими входами преобразователя кода в напряжение, выход которого соединен с входом знакоуправляемого усилителя, выход которого соединен с выходной шиной, введены дополнительный источник напряжения и счетчик импульсов, а преобразователь кода в напряжение выполнен с разрядом, имеет индивидуальный аналоговый вход, который соединен с дополнительным источником напряжения, один из выходов счетчика импульсов соединен с управляющим входом реверсивного счетчика импульсов, счетный вход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, другой выход которого соединен с управляющим входом знакоуправляемого усилителя.

Кроме того, в него могут быть введены первая и вторая кодовые шины, которые соединены с информационными входами и входами предварительной установки реверсивного счетчика импульсов и счетчика импульсов соответственно.

На фиг.1 приведена структурная cхема предложенного устройства; на фиг.2 и 3 осциллограммы напряжений в различных точках устройства.

Устройство содержит (см.фиг.1) реверсивный n-разрядный счетчик импульсов 1, преобразователь кода в напряжение (ПКН) 2, знакоуправляемый усилитель 3, выполненный с использованием операционного усилителя с резисторами связи, второй счетчик импульсов 4, дополнительный источник напряжения 5 (напряжения смещения; в частном случае может быть использован один из источников напряжения питания устройства; может быть выполнен регулируемым или с переменным выходным напряжением), дополнительный вход 6 ПКН 2, управляемый ключ 7 знакоуправляемого усилителя 3.

Выполнено устройство следующим образом.

Вход реверсивного n-разрядного счетчика импульсов 1 и вход дополнительного счетчика импульсов 4 связаны с входной шиной ГПН, n выходов реверсивного n-разрядного счетчика импульсов 1 связаны с n входами ПКН 2, а выход одного из разрядов дополнительного счетчика импульсов 4 связан с управляющим (реверсирующим) входом реверсивного n-разрядного счетчика импульсов 1. Управляемый ключ 7 знакоуправляемого усилителя 3 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя. Управляющий вход знакоуправляемого усилителя 3 (управляемого ключа 7) связан с одним из старших разрядов счетчика импульсов 4. Выход дополнительного источника напряжения 5 связан с дополнительным входом 6 ПКН 2, выход ПКН 2 с входом знакоуправляемого усилителя 3. Выход знакоуправляемого усилителя 3 соединен с выходной шиной ГПН.

При необходимости, например для синхронизации или обеспечения сдвига кодов в счетчиках 1 и 4, входы сброса или входы установки и D-входы счетчиков импульсов 1 и 4 могут быть связаны с соответствующими входными кодовыми шинами ГПН (на чертеже не показаны). Это может быть выполнено известными методами, например, блок ввода кода в счетчики 2 и 4 в простейшем случае может быть выполнен в виде набора тумблеров для задания необходимого кода на входах D счетчиков и кнопки для формирования импульса параллельного ввода в счетчики установленной на входах D информации. При необходимости может быть использовано ПЗУ или программное управление).

Рассмотрим для начала работу устройства при связях управляющего входа счетчика 1 и управляющего входа знакоуправляемого усилителя 3 (управляющего входа ключа 7) с выходом (n+1)-го дополнительного разряда счетчика импульсов 4 и при отсутствии напряжения на дополнительном входе 6 ПКН 2. ПКН 2 должен иметь низкое выходное сопротивление, чтобы изменение нагрузки (изменение входного сопротивления усилителя при изменении знака его коэффициента усиления) не влияло на значение выходного напряжения. При других схемах знакоуправляемого усилителя 3 это требование может быть не обязательным.

После подачи на входы сброса счетчиков импульса обнуления (на фиг.1 не показаны) входные импульсы (см.фиг.2, график) с момента t_о начинают заполнять оба счетчика 1 и 4. Заполнение счетчиков происходит синхронно. При этом реверсивный счетчик импульсов 1 работает на сложение от сигнала на его управляющем входе с выхода дополнительного (n+1)-го разряда второго счетчика 4, равного нулю. Этим же сигналом закрыт ключ 7 знакоуправляемого усилителя 3 и он работает как повторитель напряжения.

По мере заполнения первого счетчика увеличивается код на его выходе и пропорционально увеличивается выходной сигнал ПКН 2 (см.фиг.2, график 9), поступающий на вход знакоуправляемого усилителя 3, и выходное напряжение U устройства в целом. Происходит формирование положительной полуволны пилообразного напряжения (поз.12 на фиг.2).

Определенный по счету импульс (его номер равен 2) в момент t₁производит переполнение первого счетчика импульсов (на всех его выходах сигналы становятся равными нулю) и запись единицы в (n+1)-й разряд второго счетчика 4 (младшие n разрядов этого счетчика также обнуляются; их состояние на работе устройства не отражается).

Первый счетчик единицей на реверсирующем входе переводится в режим вычитания, а знакоуправляемый усилитель 3 в режим инвертирования выходного напряжения за счет открытия ключа 7. Выходное напряжение устройства с максимального значения падает до нуля (время t₁-t₂, см.фиг.2, график 12). Следующий входной импульс в момент t₂, вычитая единицу из нулевого значения первого счетчика, переводит все его разряды в единичное состояние. При этом выходное напряжение ПКН 2 вновь становится максимальным, а выходное напряжение устройства максимальным по абсолютному значению, но отрицательным (момент t₂ на графике 12), так как открытый ключ 7 удерживает потенциал на неинвертирующем входе операционного усилителя равным нулю и переводит его в режим инвертирования сигнала.

Последующие входные импульсы, уменьшая содержимое первого счетчика, уменьшают и абсолютное значение отрицательного выходного напряжения устройства. Происходит формирование отрицательной полуволны пилообразного напряжения (график 12, время t₂-t₃ на фиг.2).

Следующая пачка импульсов списывает содержимое первого счетчика импульсов до нуля и единицу из (n+1)-го разряда второго счетчика импульсов. С этого момента процесс формирования пилообразного напряжения идет по изложенному принципу, причем в окрестности нуля во время t₃-t₄происходит "сращивание" отрицательной полуволны предыдущего периода и положительной полуволны следующего периода. "Обратный ход" пилообразного напряжения (t₂-t₃ на фиг.2) по времени длится один период входной импульсной последовательности f.

Так происходит формирование возрастающего пилообразного напряжения. Для того, чтобы пилообразное напряжение было убывающим, достаточно инвертировать сигнал на управляющем входе первого счетчика или на управляющем входе знакоуправляемого усилителя 3 (на входе ключа 7; можно также счетчик 1 или ключ 7 выполнить работающими от другого логического уровня).

При наличии положительного напряжения на выходе источника 5 и на дополнительном входе 6 ПКН 2 процесс формирования пилообразного напряжения аналогичен, но к каждому мгновенному значению выходного напряжения ПКН 2 (и выходного напряжения устройства) добавляется определенное значение напряжения (может быть любым в зависимости от "веса" дополнительного разряда ПКН и напряжения на нем) за счет сигнала на дополнительном входе 6. При этом выходные напряжения ПКН и устройства в целом будут иметь вид, представленный на графиках 10 и 13 на фиг.2.

Если выходное напряжение источника смещения отрицательное, то выходное напряжение ПКН и устройства в целом будет иметь вид, показанный на графиках 11 и 14 на фиг.2.

Из сопоставления сигналов 12, 13 и 14 видно, что при плавном изменении напряжения на дополнительном входе 6 ПКН 2 в больших пределах (эквивалентных "весу" старшего разряда ПКН и превышающих его) выходной сигнал устройства и его спектр (особенно первая гармоника) претерпевают значительные изменения.

Если управляющий вход знакоуправляемого усилителя 3 (ключа 7) связать с выходом (n+2)-го разряда счетчика импульсов 4 и перед подачей входных импульсов оба счетчика сбросить, то выходное напряжение будет иметь треугольную форму (см. фиг.3, график 15, здесь и далее приведены идеализированные формы выходного сигнала без учета его ступенчатой формы и с пренебрежением длительностью периода входных импульсов).

Если на входы D любого счетчика подать некоторый начальный код и записать его с помощью импульса на входах V установки этих счетчиков, то в процессе работы за счет разности начальных кодов счетчиков момент переполнения первого счетчика будет сдвинут относительно момента заполнения (n+1)-го разряда второго счетчика и треугольное напряжение превратится в напряжение сложной формы с линейными отрезками (см.фиг.3, поз.16).

На фиг.3 показаны и другие формы выходного напряжения устройства, которые могут быть сформированы с помощью предложенного устройства. При подключении к управляющим входам реверсивного счетчика импульсов и управляемого ключа выходов одного из младших и более старшего разрядов второго счетчика выходные сигналы устройства претерпевают дополнительные изменения (графики 17 и 18 на фиг. 3). На графике 18 изменен для наглядности масштаб по оси времени.

Представленные графики не исчерпывают все формы выходного напряжения, которые могут быть получены с помощью предложенного ГПН. Например, использование счетчиков с некратными коэффициентами деления приводят к формированию меняющихся от периода к периоду выходных сигналов и т.д.

Таким образом предложенный ГПН обеспечивает формирование на выходе различных видов выходного напряжения. Предложенное устройство может быть использовано в системах pазвеpтки изображения, преобразователях напряжения в код, системах трехпозиционного регулирования, в том числе с зоной нечувствительности, синтезаторах звука музыкальных инструментов и т.д.

Формула изобретения

1. ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий реверсивный счетчик импульсов, счетный вход которого связан с шиной тактовых импульсов, выходы - с соответствующими входами преобразователя кода в напряжение, выход которого соединен с входом знакоуправляемого усилителя, выход которого соединен с выходной шиной, отличающийся тем, что в него введены источник напряжения смещения и счетчик импульсов, а преобразователь кода в напряжение выполнен с разрядом, имеющим индивидуальный аналоговый вход, который соединен с источником напряжения смещения, один из выходов счетчика импульсов соединен с управляющим входом реверсивного счетчика импульсов, счетный вход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, другой вход которого соединен с управляющим входом знакоуправляемого усилителя.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в него введены первая и вторая кодовые шины, которые соединены с информационными входами и входами предварительной установки реверсивного счетчика импульсов и счетчика импульсов соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3