Регулируемый генератор треугольных/пилообразных импульсов на основе таймера 555

Работа схемы основана на линейном увеличении или уменьшении напряжения на конденсаторе, когда постоянный ток втекает в конденсатор или вытекает из него. Если удастся заряжать и разряжать конденсатор одним и тем же постоянным током, то напряжение на конденсаторе будет иметь треугольную форму; в этом суть данной схемы (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Схема генератора треугольных/пилообразных импульсов на основе таймера 555.

После того, как схема достигла установившегося состояния, ее работа происходит следующим образом. Когда напряжение на конденсаторе равно 1/3V_CC, на выходе таймера 555 будет высокий уровень, в результате чего диоды D1 и D4 будут смещены в обратном направлении, а D2 и D3 – в прямом. Поэтому конденсатор будет заряжаться через диод D2 постоянным током I₁, и напряжение на нем будет линейно возрастать до тех пор, пока не достигнет уровня 2/3V_CC. Когда это произойдет, уровень напряжения на выходе таймера станет низким, и диоды D3 и D2 будут смещены в обратном направлении, а D4 и D1 – в прямом, из-за чего конденсатор начнет разряжаться постоянным током I₂ через диод D4. Если токи I₁ и I₂ равны, то переход от 1/3V_CC к 2/3V_CC будет происходить за такое же время, что и изменение в обратном направлении. Однако, если ток I₁ отличается от I₂, можно генерировать сигналы другой формы, такие как пилообразные импульсы с положительным или отрицательным наклоном.

Выражения для времени нарастания (T_RISE) и спада (T_FALL) будут следующими:

Если I₁ и I₂ сделать зависимыми от V_CC, можно будет устранить зависимость времени от напряжения питания, что сделает приведенные выше выражения для T_RISE и T_FALL функциями только фиксированных параметров (подробнее об этом ниже). 

В целях моделирования предположим, что C = 100 нФ, I₁ = I₂ = 2 мА и V_CC = 9 В, поэтому T_RISE = T_FALL = 150 мкс. Как видно из Рисунка 2, схема работает правильно.

Рисунок 2.	Моделирование схемы генератора треугольных и пилообразных импульсов, показанной на Рисунке 1.

Давайте теперь перейдем к реальной схеме и посмотрим на осциллограммы реальных сигналов. Основной принцип остался тем же, но I₁ и I₂ заменены источниками тока, состоящими из одной микросхемы усилителя LM358 и двух транзисторов Q1 и Q2 (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Схема генератора треугольных/пилообразных импульсов с микросхемой LM358 и двумя транзисторами, используемыми в качестве источников тока.

Теперь мы должны принять во внимание, что транзисторы Q1 и Q2 никогда не входят в насыщение. Максимальное напряжение коллектора Q1 будет порядка 2/3V_CC + 0.7 В, поскольку V_CC = 9 В. Поэтому спроектировать схему нужно так, чтобы избежать насыщения, для чего напряжение эмиттера должно быть выше или равно 2/3V_CC + 1 В. Такой же принцип применяется к транзистору Q2. Однако теперь минимальное напряжение на коллекторе Q2 составляет около 1/3V_CC – 0.7 В, поэтому напряжение на эмиттере нужно установить меньшим или равным 1/3V_CC – 1 В. Благодаря отрицательной обратной связи операционного усилителя это легко сделать с помощью делителя напряжения (устраняя зависимость от V_CC в выражениях 1 и 2), поскольку напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах одинаковы.

В данном конкретном случае I₁ = I₂ = 2 мА, поэтому должно получиться T_RISE = T_FALL = 150 мкс. Выводы подтверждаются импульсами треугольной формы, которые можно увидеть на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Осциллограмма треугольных импульсов из схемы, показанной на Рисунке 1.

Таким образом, схема работает правильно, но если к резисторам R1 и R4 последовательно добавить потенциометры по 10 кОм, появится возможность изменять общее сопротивление в эмиттерах и, следовательно, изменять токи I₁ и I₂. Если, например, потенциометр в эмиттере Q2 вывернуть в 0 Ом, а в эмиттере Q1 – в 10 кОм, то I₂ = 2/1 кОм = 2 мА и I₁ = 2/11 кОм = 181 мкА, поэтому для того, чтобы зарядить конденсатор, потребуется в 11 раз больше времени (около 1.65 мс), и форма выходных импульсов будет пилообразной (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Пилообразные импульсы с положительным наклоном, формируемые схемой на Рисунке 1.

Играя с потенциометрами, можно генерировать сигналы произвольной формы (в определенных пределах). Разумеется, уменьшение сопротивлений R4 или R1 приведет к увеличению токов I₁ и I₂ и уменьшению времени спада или нарастания.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM358
2. Datasheet Diodes NE555