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 1/3VCC, 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 2/3VCC. 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 1/3VCC к 2/3VCC 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 (TRISE) и спада (TFALL) будут следующими:
Если I1 и I2 сделать зависимыми от VCC, можно будет устранить зависимость времени от напряжения питания, что сделает приведенные выше выражения для TRISE и TFALL функциями только фиксированных параметров (подробнее об этом ниже).
В целях моделирования предположим, что C = 100 нФ, I1 = I2 = 2 мА и VCC = 9 В, поэтому TRISE = TFALL = 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 2/3VCC + 0.7 В, поскольку VCC = 9 В. Поэтому спроектировать схему нужно так, чтобы избежать насыщения, для чего напряжение эмиттера должно быть выше или равно 2/3VCC + 1 В. Такой же принцип применяется к транзистору Q2. Однако теперь минимальное напряжение на коллекторе Q2 составляет около 1/3VCC – 0.7 В, поэтому напряжение на эмиттере нужно установить меньшим или равным 1/3VCC – 1 В. Благодаря отрицательной обратной связи операционного усилителя это легко сделать с помощью делителя напряжения (устраняя зависимость от VCC в выражениях 1 и 2), поскольку напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах одинаковы.
В данном конкретном случае I1 = I2 = 2 мА, поэтому должно получиться TRISE = TFALL = 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.