Представлено несколько схем генераторов ступенчатого напряжения, выполненных с использованием различных схемотехнических решений.
Генераторы ступенчатых напряжений используют в измерительной технике для анализа характеристик и поведения электронных приборов при дозированном ступенчато-кратном повышении входного напряжения. Также такие генераторы могут быть использованы в качестве аналого-цифровых преобразователей и в ряде иных устройств.
Простейшая схема генератора ступенчатого напряжения может быть создана с использованием двух операционных усилителей микросхемы LM324, Рисунок 1. Формально, без использования выходной цепочки L1, C2, устройство представляет собой тривиальный генератор прямоугольных биполярных импульсов, однако наличие LC-цепочки, подключенной к выходу устройства, превращает его в генератор биполярных импульсов ступенчатого напряжения.
 |
|
| Рисунок 1. | Генератор импульсов ступенчатого напряжения на двух операционных усилителях. |
На Рисунке 2 показана схема генератора ступенчатого напряжения более сложного построения. В основе работы генератора использован принцип получения ступенчатого напряжения, изложенный в работе [1]. В отличие от первоисточника, схема дополнена устройством сброса заряда накопительного конденсатора, а также регулятором количества ступенек выходного сигнала.
 |
|
| Рисунок 2. | Генератор импульсов ступенчатого напряжения с регулируемым количеством выходных ступенек. |
На вход устройства подаются импульсы прямоугольной формы напряжением 2 В и частотой 1 Гц. Первый каскад представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 BC547C. На транзисторах VT2 и VT3 BC547C выполнен генератор нарастающих во времени ступенек [1]. На компараторе DA1.1 микросхемы LM339 и транзисторе VT4 2N7002 выполнена схема сброса накопленного на конденсаторе C3 заряда для циклического повторения сигналов во времени. Для этого сигнал с конденсатора C3 через цепочку R6, C4 подаётся на один из входов компаратора DA1.1, а на второй его вход подаётся напряжение сравнения, снимаемое с потенциометра R4.
При достижении напряжением на обкладках конденсатора C4 уровня напряжения, снимаемого с движка потенциометра R4, происходит кратковременное переключение компаратора. На его выходе формируется уровень высокого напряжения, который через цепочку R7, C5 поступает на затвор транзистора VT4 2N7002. Транзистор открывается и мгновенно разряжает конденсатор C3, обеспечивая тем самым начало нового цикла ступенчатой зарядки конденсатора C3. Ток через транзистор VT4 при разряде конденсатора C3 не превышает предельно допустимых значений для повреждения транзистора. Регулировка потенциометра R4 позволяет получить на выходе устройства заданное количество ступенек (от 1 до 7) в выходном сигнале.
Более совершенными в плане формирования значительно большего количества ступенек в выходном сигнале являются схемы генераторов ступенек, представленные на Рисунках 3 и 4. На Рисунке 3 показан генератор ступенчатого напряжения, выполненный на микросхеме DD1 CD4020A. Отечественный аналог этой микросхемы – К561ИЕ16. Микросхема содержит 14-разрядный асинхронный счётчик пульсаций и позволяет получить на выходах 16384 двоичных отсчётов. Разумеется, такое количество ступенек является во многих случаях избыточным, поэтому путём последовательного отключения выходов этой микросхемы можно ограничить число ступенек кратно двум, т.е. в 2, 4, 8, 16 и т. д. раз.
 |
|
| Рисунок 3. | Генератор импульсов ступенчатого напряжения с регулируемым количеством выходных ступенек до 16384. |
Как и в предыдущем случае для завершения цикла построения заданного количества ступенек используется компаратор DA1.1 микросхемы LM339, работающий по принципу, описанному выше. Регулировкой потенциометра R14 можно задавать количество ступенек выходного сигнала. Выходной сигнал с компаратора сбрасывает микросхему счётчика в исходное состояние и позволяет тем самым начать новый цикл роста числа ступенек. Разумеется, при помощи всего одного, даже десятиоборотного, потенциометра невозможно точно установить требуемое количество ступенек сигнала. В этой связи для более точной регулировки количества ступенек можно использовать схему растяжки напряжения сравнения [2].
Значения сопротивлений выходной резистивной матрицы R1–R12 вычисляются по формуле Rn = R1/2n–1, где n – количество задействованных разрядов счетчика импульсов. Так, например, при R1 = 2 МОм (n = 1), R2 = 1 МОм (n = 2), R3 = 500 кОм (n = 3), R4 = 250 кОм (n = 4) и т. д.
Вместо микросхемы DD1 CD4020 с уменьшением максимального количества выходных ступенек до 4096 можно использовать микросхему аналогичного назначения CD4040 с количеством выходных разрядов 12. Сама схема при этом остаётся без изменения. Конденсатор C1 необходим для сглаживания переходных процессов при переключении выходных сигналов микросхемы счётчика. Емкость конденсатора C1 подбирается экспериментально таким образом, чтобы ступеньки не имели завала и, в то же время, не наблюдались проскоки иглообразных импульсов выходного напряжения.
На Рисунке 4 показана схема более простого формирователя ступенчатого напряжения с максимальным числом ступенек 16. В устройстве использован счётчик импульсов на микросхеме DD1 CD4520; количество ступенек можно задавать регулировкой потенциометра R6 от 1 до 16.
 |
|
| Рисунок 4. | Генератор импульсов ступенчатого напряжения с регулируемым количеством выходных ступенек от 1 до 16. |
Литература
- Staircase Generator. 101 Electronics Projects. 1978. P. 39.
- Shustov M.A. Frequency divider from 1 to 4096 in increments of 1. EDN. October 19, 2023.
