Введение

Осциллятор, генерирующий несинусоидальную повторяющуюся форму сигнала.

В электронике релаксационный осциллятор – это нелинейная электронная схема, генерирующая несинусоидальный повторяющийся выходной сигнал, такой как треугольная или прямоугольная волна. Схема состоит из контура обратной связи, содержащего переключающее устройство, например транзистор, компаратор, реле, операционный усилитель или устройство с отрицательным сопротивлением, такое как туннельный диод, которое последовательно заряжает конденсатор или индуктивность через резистор до достижения порогового уровня, а затем снова разряжает. Период колебаний осциллятора зависит от постоянной времени RC- или RL-цепи. Релаксационные осцилляторы используются для генерации низкочастотных сигналов в таких приложениях, как мигающие световые индикаторы (указатели поворота) и электронные звуковые сигналы, а также в генераторах, управляемых напряжением (VCO), инверторах и импульсных источниках питания, аналого-цифровых преобразователях двойного интеграла и генераторах сигналов. Термин «релаксационный осциллятор» также применяется к динамическим системам в различных областях науки, которые генерируют нелинейные колебания и могут быть проанализированы с использованием той же математической модели, что и электронные релаксационные осцилляторы. Примерами служат геотермальные гейзеры, сети возбуждающихся нервных клеток и связанные химические реакции. Период релаксационного осциллятора в основном определяется временем релаксации.

Электроцилирующие реляксантные осцилляторы

Первая схема релаксационного осциллятора, астабильный мультивибратор, была изобретена Анри Абрахамом и Юджином Блохом с использованием вакуумных ламп во время Первой мировой войны. Балтазар ван дер Поль впервые разграничил релаксационные колебания и гармонические колебания, ввел термин «релаксационный осциллятор» и вывел первую математическую модель релаксационного осциллятора – влиятельную модель осциллятора Ван дер Поля – в 1920 году. Ван дер Поль заимствовал термин «релаксация» из механики; разряд конденсатора аналогичен процессу релаксации напряжения, постепенному исчезновению деформации и возвращению к равновесию в неэластичной среде. Релаксационные осцилляторы можно разделить на два класса. Они также используются в генераторах с управляемым напряжением (VCO), инверторах и импульсных источниках питания, аналого-цифровых преобразователях двойного интегрирования и в генераторах функций для формирования прямоугольных и треугольных сигналов. Релаксационные осцилляторы широко применяются, поскольку их легче проектировать, чем линейные осцилляторы, и их проще изготавливать на интегральных схемах, так как они не требуют индуктивностей, как, например, LC-осцилляторы. Однако они характеризуются повышенным уровнем фазового шума или требуют использования униполярного транзистора, подключенного параллельно конденсатору. Конденсатор заряжается от входного источника, что приводит к увеличению напряжения на нем. Пороговое устройство не проводит ток до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет порогового (триггерного) значения. Затем оно резко увеличивает свою проводимость лавинообразно из-за внутренней положительной обратной связи, что быстро разряжает конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе падает до некоторого нижнего порогового значения, устройство перестает проводить, и конденсатор начинает заряжаться снова, после чего цикл повторяется бесконечно. Если пороговым элементом является неоновая лампа, схема также обеспечивает вспышку света при каждом разряде конденсатора. Этот пример с лампой показан ниже на типичной схеме, используемой для описания эффекта Пирсона-Ансона. Длительность разряда можно увеличить, подключив дополнительный резистор последовательно с пороговым элементом. Два резистора образуют делитель напряжения, поэтому дополнительный резистор должен иметь достаточно низкое сопротивление для достижения нижнего порога.

Альтернативная реализация с таймером 555

Аналогичный релаксационный генератор может быть собран на микросхеме таймера 555 (работающей в автономном режиме), заменяющей описанную выше неоновую лампу. А именно, когда выбранный конденсатор заряжается до заданного значения (например, до 2/3 напряжения питания), компараторы внутри таймера 555 переключают транзисторный ключ, который постепенно разряжает этот конденсатор через выбранный резистор (определяющий RC-постоянную времени) на землю. В момент, когда напряжение на конденсаторе падает до достаточно низкого уровня (например, до 1/3 напряжения питания), ключ переключается, позволяя конденсатору снова заряжаться. Популярная микросхема 555 благодаря своей компараторной схеме обеспечивает точную работу при напряжении питания от 5 до 15 вольт и даже в более широком диапазоне. Другие генераторы, не использующие компараторы, могут демонстрировать нежелательные изменения во времени работы при изменении напряжения питания.

Индукционный осциллятор

Блокирующий генератор, использующий индуктивные свойства импульсного трансформатора для генерации прямоугольных импульсов путем насыщения трансформатора, которое затем прерывает ток питания трансформатора до тех пор, пока трансформатор не разрядится и не выйдет из состояния насыщения, после чего запускается новый импульс тока питания, как правило, с использованием одного транзистора в качестве переключающего элемента.

Ослабление на основе компаратора

В качестве альтернативы, когда конденсатор достигает каждого порога, источник заряда может быть переключен с положительного питания на отрицательное или наоборот. Ранее показанный анимированный пример инвертирующего триггера Шмитта работает по тому же принципу (поскольку триггер Шмитта внутренне выполняет сравнение). В этом разделе будет проанализирована аналогичная реализация с использованием компаратора как дискретного компонента. Этот релаксационный генератор является гистерезисным генератором, названным так из-за гистерезиса, создаваемого положительной обратной связью, реализованной с помощью компаратора (аналогично операционному усилителю). Схема, реализующая такую форму гистерезисного переключения, известна как триггер Шмитта. Сам по себе триггер является бистабильным мультивибратором. Однако медленная отрицательная обратная связь, добавляемая к триггеру RC-цепью, заставляет схему автоматически генерировать колебания. То есть, добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в астабильный мультивибратор.

Общая концепция

Система находится в неустойчивом равновесии, если входы и выходы компаратора равны нулю вольт. Как только какой-либо шум, будь то тепловой или электромагнитный, поднимает выход компаратора выше нуля (возможен также случай, когда выход компаратора опускается ниже нуля, и к этому применимо аналогичное рассуждение), положительная обратная связь в компараторе приводит к насыщению выхода на положительной шине питания. Иными словами, поскольку выход компаратора теперь положителен, неинвертирующий вход компаратора также становится положительным и продолжает увеличиваться вместе с ростом выхода благодаря делителю напряжения. Через короткое время выход компаратора достигает положительной шины питания. Инвертирующий вход и выход компаратора соединены последовательной RC-цепью. В результате инвертирующий вход компаратора асимптотически приближается к выходному напряжению компаратора с постоянной времени RC. В момент, когда напряжение на инвертирующем входе превышает напряжение на неинвертирующем входе, выход компаратора быстро падает из-за положительной обратной связи. Это происходит потому, что неинвертирующий вход меньше инвертирующего, и по мере дальнейшего уменьшения выхода разница между входами становится все более отрицательной. Снова инвертирующий вход асимптотически приближается к выходному напряжению компаратора, и цикл повторяется, как только неинвертирующий вход становится больше инвертирующего, следовательно, система совершает колебания.

Частота колебаний

Сначала предположим, что для упрощения вычислений. Игнорируя начальную зарядку конденсатора, которая не имеет значения для расчёта частоты, отметим, что заряды и разряды колеблются между и . Для рассмотренной схемы Vss должно быть меньше 0. Половина периода (T) равна времени, за которое V− переключается от Vdd. Это происходит, когда V− заряжается от до . Если Vss не является величиной, обратной Vdd, необходимо учитывать асимметричное время заряда и разряда. Учитывая это, мы приходим к формуле вида:

которая сводится к вышеуказанному результату в случае, если .