Можно определить ε и по формуле

ε=U_m /E=1-e^{- t раб/ τ} ≈ t_раб /τ.

Из (1.1) следует, что коэффициент нелинейности ε оказывается равным U_m /E. Обычно это соотношение называется коэффициентом использования источника питания. При этом для получения достаточно малого значения ε приходится выбирать значение E во много раз большим амплитуды U_m т.е. плохо использовать напряжение источника питания. Таким образом, простейшая схема с зарядом или разрядом конденсатора через резистор оказывается пригодной лишь при сравнительно невысокой линейности (примерно 10%).

Принципиальная схема простейшего ГПН с транзисторным ключом и соответствующие временные диаграммы напряжения приведены на рисунке 1.1,б,в.

Рисунок 1.1

1.2 Классификация ГПН со стабилизаторами тока

Как уже указывалось выше, принцип действия схем генераторов пилообразного напряжения заключается в использовании заряда или разряда конденсатора во время рабочего хода через стабилизатор тока. Учитывая принципиальную общность почти всех применяемых на практике схем генераторов, целесообразно рассматривать их как варианты одной и той же схемы. При этом они отличаются друг от друга, главным образом, лишь способом создания напряжения в цепи стабилизатора тока. Поэтому классификационному признаку различают следующие типы генераторов:

1) Генераторы, в которых стабилизатор тока реализован в виде отдельного структурного элемента со специальным источником напряжения Е_ст .

2) Генераторы, в которых источник напряжения Е_ст стабилизатора тока реализован в виде заряженного конденсатора. Необходимо отметить, что этот генератор по другому классификационному признаку часто относят к группе компенсационных устройств. Идея построения таких устройств основана на том, что стабилизация зарядного (или разрядного) тока конденсатора С может быть достигнута, если последовательно с ним включить источник, напряжение которого изменяется по тому же закону, что и на конденсаторе С, но имеет обратную полярность. Роль такого источника напряжения выполняет усилитель. В зависимости от способа включения усилителя различают схемы с положительной и отрицательной обратной связью.

3)

Рисунок 1.2

На рисунке 1.2,а показан вариант функциональной схемы компенсационного генератора с положительной обратной связью (ПОС): если коэффициент усиления усилителя К₀ =+1, то повышение потенциала в точке а₁ при заряде конденсатора С компенсируется точно таким же повышением потенциала в точке а₂ , и зарядный ток i останется неизменным. Конечно, в практических схемах вследствие того, что коэффициент усиления К₀ не остается в процессе работы постоянным и точно равным 1, а так же в результате нестабильности других параметров схем наблюдается определенное не постоянство тока i и большее или меньшее значение коэффициента нелинейности напряжения на конденсаторе и выходного напряжения u_вых . Генератор, реализующий функциональную схему на рисунке 1.2,а, называют компенсационным генератором с ПОС.

4) Генераторы, в которых роль источника напряжения стабилизатора тока выполняет источник питания схемы. Такой генератор по другому классификационному признаку относится к компенсационным генераторам с ООС (отрицательной обратной связью); функциональная схема такого генератора показана на рисунке 1.2,б.

1.3 Генераторы пилообразного напряжения на операционных усилителях

Интегрирующее включение операционного усилителя, обеспечивающего получение выходного напряжения, пропорционального интегралу от входного напряжения, предполагает включение конденсатора в цепь отрицательной обратной связи. Поэтому генераторы пилообразного напряжения на операционных усилителях строят по принципу генераторов с обратной связью, интегрирующих постоянное напряжения источника питания, которое для них является входным.

На рисунке 1.3,а показана схема генератора пилообразного напряжения с интегрирующей RC-цепочкой, включенной в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя.

Рисунок 1.3

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО ВАРИАНТА СХЕМНОГО РЕШЕНИЯ

Схема разрабатываемого генератора приведена в приложении 2. В схеме применяется однокристальный микроконтроллер фирмы ATMEL – At90S85515. Микросхема создана на основе ядра Classic, имеет в своём составе 8-разрядный и 16-разрядный таймеры для формирования временных задержек и 4 порта для ввода и вывода информации с внешних устройств. Этот МК вполне подходит для создания генератора линейно-нарастающего напряжения. Цифровое значение амплитуды подаётся на ЦАП DD1 с порта A МК, а ЦАП преобразовывает его в аналоговую форму. Регулирование амплитуды производится переменным резистором R1, подключенным ко входу управления ЦАП. Для согласования сопротивления нагрузки с выходом устройства, применяется усилитель тока на ОУ DA1.

Для питания устройства от сети 220В используется блок питания на трансформаторе Т1, выпрямителях VD1-VD2 и стабилизаторах DA2-DA4. Он обеспечивает питание для ЦАП, МК и ОУ.

К порту D МК подключена клавиатура из 8 клавиш для установки частоты, а к порту B – светодиоды для её индикации.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА

Алгоритм программы довольно прост и состоит из основной программы и п/п обработки прерывания таймера Т1 (см. приложение 3).

В блоке инициализации МК производится инициализация стека, переменных, настройка портов и таймера, разрешение прерываний и запуск Т1 с коэффициентом деления 1. Далее происходит опрос 8 кнопок, и если одна из них нажата, изменяется время задержки таймера Т1, и включается светодиод соответствующего режима.

Прерывание от таймера обрабатывается соответствующей подпрограммой. Она увеличивает значение переменной Ampl на 1 и выводит его на ЦАП. После превышения значения $FF, переменная автоматически обнуляется.

Далее приводится текст программы на Ассемблере и файл проекта VMLAB.

Текст программы

;******************************************************