Генератор линейно-нарастающего напряжения

ОУ можно использовать для генерации сигналов не только прямоугольной формы, но и линейно-нарастающей, треугольной, пилообразной и многих других форм сигналов. Схемы, генерирующие сигнал линейно-нарастающей, треугольной или пилообразной форм, имеют одну общую черту: все они содержат конденсатор, заряжающийся неизменным током.

Рассмотрим схему на рис. 3.

                     а)                                                  б)

Рис.3. Электрическая схема (а) и кривая заряда конденсатора неизменным током (б)

Ключ замыкается в момент времени t=0, и ток I заряжает конденсатор С. Чтобы вычислить напряжение на конденсаторе, выраженное через ток, введем соотношение  

или

.                                               (5)

Напряжение на конденсаторе связано с зарядом и емкостью уравнением

.                                                    (6)

Подставив значение Q из предыдущего уравнения, получим:

                      ,                                                 (7)

где U_с измеряется в вольтах, t – в секундах, I – в амперах, C – в фарадах.

Если значения тока I и емкости С известны и постоянны, то напряжение на конденсаторе U_с прямо пропорционально времени, прошедшему с момента замыкания ключа.

График на рис. 3,б показывает зависимость U_с от времени. Важной характеристикой является скорость нарастания напряжения:

.

Значение U_с непрерывно показывает, какой величины заряд накоплен на конденсаторе. В примере через 1 с после замыкания ключа U_с=1 В, каждую следующую секунду напряжение на конденсаторе становится на 1 В больше. Таким образом, напряжение U_с фактически суммирует напряжение за весь исследуемый период времени и является суммарным напряжением. Поэтому такая схема называется интегратором. Форма U_с с постоянным наклоном (нарастанием или спадом) является основой для генерации многих полезных для управления сигналов.

Схема генератора линейно-изменяющегося напряжения

Заменим источник тока на рис.3,а генератором входного напряжения Е_вх, резистором R_вх и операционным усилителем (рис.4).

Напряжение Е_вх и резистор R_вх задают ток . Подставив это значение в формулу (7), получим U_вых, выраженное через Е_вх и время t:

                                           ,                               (8)

где R_вх измеряется в омах, С – в фарадах, t – в секундах, а U_вых и Е_вх – в вольтах.

Знак минус в этом уравнении отображает тот факт, что Е_вх приложено через R_вх ко входу «–» ОУ. На рис.5 представлен график зависимости выходного напряжения от времени заряда конденсатора.

Рис. 4. Электрическая схема генератора линейно-изменяющегося напряжения

Рис. 5. График зависимости выходного напряжения от времени

Эта схема обладает двумя недостатками. Первый из них заключается в том, что U_вых не может превысить значения напряжения насыщения. Второй, не столь явный недостаток, заключается в том, что U_вых не остается равным 0 В при Е_вх=0 В. Причиной тому является неизбежное наличие токов смещения, которые будут заряжать конденсатор.