Преобразователь прямоугольных сигналов в треугольные с постоянной амплитудой при изменении частоты

Изложен принцип создания сигналов треугольной формы из входных сигналов прямоугольной формы с сохранением постоянства амплитуды при изменении частоты. Поставленная цель достигается за счёт того, что входные сигналы прямоугольной формы поступают на преобразователь частоты в напряжение, и лишь затем подаются на формирующую сигнал треугольной формы RC-цепочку. Приведены схемы формирователей сигналов треугольной формы.

Сигналы треугольной формы широко используют в электронной технике, в частности, в генераторах качающейся частоты, измерительной технике, а также в целом ряде иных приложений. Для получения сигналов треугольной формы чаще всего используют обычную RC-цепочку, на которую подают импульсы прямоугольной формы [1–4]. При соблюдении ряда условий, позволяющих заряжать и разряжать конденсатор постоянным по величине током, обеспечивается линейность роста и спада напряжения на его обкладках.

Известны три основных способа получения сигналов треугольной формы, Рисунок 1. Первый – это описанный выше способ периодической зарядки/разрядки конденсатора C1 через резистор R1, Рисунок 1а.

Рисунок 1.	Способы получения сигналов треугольной формы за счёт: а) периодического заряда и разряда конденсатора C1 через резистор R1 от генератора прямоугольных импульсов; б) ступенчатого синтеза сигнала; в) сложения двух разнополярных выпрямленных сигналов исходной синусоидальной формы, один из которых сдвинут относительно другого на 90°.

Вторым распространённым способом получения сигналов прямоугольной формы является синтез таких сигналов из совокупности ступенек напряжения, Рисунок 1б. Этот способ реализуется с использованием специализированных микросхем, позволяющих последовательно суммировать во времени сигналы прямоугольной формы с различными весовыми коэффициентами. Недостаток такого синтеза очевиден: частота выходного сигнала в десятки раз ниже частоты входного сигнала [2–4].

И, наконец, известен ещё один, достаточно новый способ синтеза сигналов треугольной формы, Рисунок 1в. Этот способ основан на аддитивном сложении разнополярных выпрямленных синусоидальных сигналов, один из которых сдвинут относительно другого на 90° [5–10]. Недостаток этого способа синтеза в том, что на выходе получается сигнал удвоенной частоты, а отклонение формы пиков сигналов треугольной формы от идеала превышает 3%.

Первый из рассмотренных способов, Рисунок 1а, наиболее прост, но обладает неискоренимым недостатком: при изменении частоты входного сигнала амплитуда выходного сигнала треугольной формы соответствующим образом меняется.

В работе [11] для обеспечения постоянства амплитуды выходного сигнала треугольной формы было предложено синхронно с частотой задающего генератора менять параметры резистора RC-формирующей цепочки.

Для получения прямоугольных и треугольных импульсов постоянной амплитуды в работе [12] был использован перестраиваемый по частоте функциональный генератор с электронным синхронным управлением эквивалентных емкостей конденсаторов задающего генератора и интегратора.

Второй и третий способы синтеза, Рисунки 1б и 1в, способны формировать сигналы треугольной формы неизменной амплитуды вне зависимости от частоты исходных сигналов.

Решить проблему поддержания постоянной амплитуды выходных сигналов треугольной формы при изменении частоты входных сигналов прямоугольной формы удалось за счёт включения в разрыв между задающим генератором и формирующей RC-цепочкой линейного преобразователя частоты F в напряжение U, Рисунок 2.

Рисунок 2.	Структурная схема устройства для формирования сигнала треугольной формы неизменной амплитуды при варьировании частоты входного сигнала прямоугольной формы с использованием преобразователя U/F: а) монополярного; б) биполярного.

Сигнал с генератора прямоугольных импульсов варьируемой частоты, Рисунок 2, поступает на преобразователь F/U. Выходной сигнал с этого преобразователя подаётся на электронный переключатель, управляемый входным генератором прямоугольных импульсов. Это позволяет поочерёдно подключать резистор R4 к выходу преобразователя F/U и, затем, к общий шине питания, Рисунок 2а. При выполнении определённых условий, а именно, используя начальные стадии заряда/разряда конденсатора, реализуется линейный характер нарастания и спада напряжения на его обкладках.

Вариантом рассмотренного выше способа является использование биполярного преобразователя F/U, Рисунок 2б. Данный способ позволяет удвоить выходную амплитуду сигнала треугольной формы, но сама схема устройства, Рисунок 3, отличается повышенной сложностью.

Рисунок 3.	Электрическая схема преобразователя сигналов прямоугольной формы изменяемой частоты в сигналы треугольной формы неизменной амплитуды с использованием биполярного преобразователя частоты в напряжение.

Электрическая схема формирователя сигнала треугольной формы при использовании биполярного преобразователя F/U приведена на Рисунке 3. При помощи электрически переключаемых ключей DA1.1 и DA1.2 резистор R6, через который заряжается и разряжается конденсатор C5, поочерёдно подключается к положительному или отрицательному выходу биполярного преобразователя F/U. Поскольку амплитуда выходного сигнала, снимаемого с конденсатора C5 невелика, для его усиления использован каскад усиления на операционном усилителе (ОУ) DA2.

Намного проще выглядит схема формирователя сигналов треугольной формы постоянной амплитуды, изображённая на Рисунке 4. Импульсы входного сигнала прямоугольной формы поступают на преобразователь F/U, выполненный с использованием ОУ DA1.1 микросхемы TL084. Выходной сигнал преобразователя усиливается каскадом на ОУ DA1.2. Нагрузкой этого усилителя является резистор R4. Транзистор VT1 2N7000 периодически с частотой входного сигнала замыкает правый по схеме вывод резистора R4 на общую шину. Цепочка R5 и C3 предназначена для компенсации переходных процессов при коммутации выходного сигнала. Сама RC-цепочка, формирующая сигнал треугольной формы, выполнена из резистора R6 и конденсатора C4. Именно на этом конденсаторе и формируется сигнал треугольной формы достаточно малой амплитуды. Для усиления этого сигнала используется выходной усилительный каскад на ОУ DA1.3.

Рисунок 4.	Электрическая схема преобразователя прямоугольных импульсов в треугольные с сохранением их амплитуды при изменении частоты входного сигнала от 1 до 40 кГц.

При подаче на вход устройства импульсов прямоугольной формы амплитудой 10 В от внешнего генератора, частота которого меняется в пределах от 1 до 40 кГц, на конденсаторе C4 формируются сигналы треугольной формы амплитудой 5 мВ. На выходе устройства амплитуда сигналов за счёт использования ОУ DA1.3 повышается до 100 мВ и не меняется при изменении частоты входного сигнала.

Нижнее значение частоты входного сигнала обусловлено снижением качества формы выходного сигнала. Верхнее значение частоты преобразования ограничено вхождением каскада на ОУ DA1.2 в режим насыщения, а также тем, что в выходном каскаде DA1.3 использован операционный усилитель с относительно низкой граничной частотой усиления (4 МГц).

Расширить область работы устройства в область более низких частот возможно за счёт использования в качестве резистора R6 генератора стабильного тока, а также выбора иных номиналов RC-цепей устройства.

Литература

1. Ноткин Л.Р. Функциональные генераторы и их применение. М.: Радио и связь, 1983. 184 с.
2. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов. М.: ДМК Пресс, 2009. 384 с.
3. Афонский А.А., Дьяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. М.: Солон-Пресс, 2010. 544 с.
4. Дьяконов В.П. Современные измерительные генераторы сигналов. М.: ДМК Пресс, 2023. 378 с.
5. Шустов М.А. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы. Радиотехника. 2003. № 1. С. 95–96. Shustov M.A. Additive signal former of the triangular shape. Radio and Communications Technology. 2003. № 1.
6. Шустов М.А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. СПб: Наука и Техника, 2013, 352 с.
7. Shustov M.A., Shustov A.M. Electronic Circuits for All, London: Elektor International Media BV, 2017, 397 p.; Elektronika za sve: Priručnik praktične elektronike, Niš: Agencija EHO, 2017; 2018, 392 St. (Serbia).
8. Shustov M.A., Shustov A.M. Simple Function Generator. With reverse-order signal creation. Elektor, 2020, V. 46, № 7–8 (502), P. 20–23.
9. Shustov M.A. Rectangle and triangle waveform function generator. EDN. September 15, 2023.
10. Шустов М.А. Функциональный многофазный генератор с синтезом треугольного сигнала из синусоиды. РадиоЛоцман. 2023. № 9–10. С. 36–39.
11. Шустов М.А. Генераторы импульсов прямоугольной и треугольной формы. РадиоЛоцман. 2023. № 7–8. С. 46–48.
12. Шустов М.А. Функциональный генератор с электронной регулировкой эквивалентных емкостей конденсаторов. РадиоЛоцман. 2023. № 9–10. С. 89–90.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TL084
2. Datasheet Microchip 2N7000