电压控制器振荡器设计为宽范围振荡

时间:2023-02-03
    这是一个电压控制器振荡器,设计为宽范围振荡器,用于为步进电机驱动系统生成时钟脉冲。然而,它确实有一些有趣的特性。初的应用程序使用步进电机,因为它能够在非常宽的速度范围内运行,因此该振荡器也设计用于非常宽的频率范围。原型可以在 1,000,000:1 的范围内变化 - 六个十进制。大多数 VCO 都可以轻松实现以上功能。电路的变化甚至可以扩展这个范围!
    由于振荡器是电压控制的,它也可以通过 4QD 的操纵杆接口板之一与操纵杆一起使用。为了促进这一点,振荡器不仅包括一个抑制输入,还包括一个“组合”输入,用于将一个或多个时钟耦合在一起。
    与大多数其他“电压控制”振荡器一样,该电路实际上是电流控制的!这也是另一种情况(我经常遇到),我花了几天时间在制造商的数据手册中搜索芯片来完成所需的工作,只是在我停止寻找芯片后的几个小时内解决了它现成的解决方案!

    制作板

    这是一个过去一直是生产项目的电路,因此经过了反复试验。因此,只要数量合理,4QD 就可以生产它们。由于艺术品已经准备好,我们可以生产小至 25-50 件的数量。
    PCO
    电流槽
    Tr6、Tr7 和 IC 构成精密电流吸收器。我们使用的 IC 是 3140,但可以使用任何运算放大器,只要它是“单电源”类型,即可以在电池 -ve 线路上使用其输入端子的运算放大器。“输出”电流流入 Tr6 的集电极,通过 Tr6 和 Tr7 以及连接到电路板外部的 Rx,因此它可以变化 - 例如切换范围。在运算放大器中将 Rx 两端产生的电压与输入电压 Vx 进行比较。Vx 由来自 Vref 线的分压器获得。因此流入 Tr6 的电流非常准确地为 Vx/Rx。
    为了稳定性,Vref 源自 D5,它是一个 1v2 精密电压参考。它们具有高稳定性和低漂移。当然,如果不需要这些功能,可以用普通的LED等来显影2v左右。确切的电压并不重要!
    Tr6 和 Tr7 形成互补的长尾对(我在别处描述过)用作电流吸收器的输出级。其基本电路在其他地方有描述(电路 7),这里它在发射极之间包含一个电阻器 (R4),在两个基极之间包含一个网络。这是为了在电流切换时导致频率缓慢变化:要全速运行步进电机,频率必须以足够慢的速度“上升”以允许电机加速。R4 和这个网络完成了这个斜坡。
    振荡器
    振荡器本身是一个“张弛振荡器”。在这种类型的振荡器中,电容器以定义的速率充电,然后当它达到设定的阈值时,当放电电路关闭并且电容器再次充电时,它会快速放电到较低的阈值。
    这里的充电电容是C1。它由上述电流吸收器充电并由 Tr1/Tr2 放电。
    由于电容器的顶端连接到 +Vcc,对其充电会导致其下端降至 0v。此充电斜坡的低端由 Tr11 基础上的预设设置。Tr9、Tr8、Tr10 和 Tr11 是标准的高增益长尾对,Tr13 作为恒流尾。这种长尾“互补达林顿”对具有极强的线性特性,可在极低的基极电流下工作,因此即使在非常低的频率下,其行为也可预测,而不会过多地拉动预期频率。
    预置 R9 不是非常必要,但在生产运行中,它使所有机器都能够准确校准,无需使用精密组件,调整 R9 只需改变频率即可。
    偏置
    Tr12、Tr14 与 D4 和 D5 构成高精度参考电源。D4与R9、R10串联,将Tr14变为恒流源偏置D5。D5与R14建立恒流偏置D4。这个环提供了两个稳定的参考,但有一个小缺点:在加电时,它不会自行启动,因此包含 R13 以增加一点泄漏来启动电路。
    D5 还用作 Tr13 的基极偏置、长尾对的尾部以及简单的 Vref(输入电压源)。
    输出级
    输出级是围绕图腾柱构建的单稳态脉冲发生器:Tr15 是图腾柱的底部,Tr4 是顶部。C5与R12决定导通时间。当输出级开启时(输出低电平),Tr2 开启,C1 放电。
    这种单稳态是必需的,因为使用它的步进驱动器具有定义的可接受脉冲宽度。然而,由于此脉冲宽度是固定的,而脉冲之间的时间是可变的,因此随着脉冲时间开始变得比斜坡时间重要,电流与频率的关系图自然会变成非线性的。
    其他电路元件
    Tr5 是一种抑制:当它打开时,整个电路关闭,几乎不消耗电流。C1 将保持放电状态。当禁止解除时,C1 开始充电,因此电路总是从定义的状态启动。
    放电开关由Tr1和Tr2组成。Tr1 是一个 TO5 晶体管,例如 BC301,用于处理我认为如果 C1 的尺寸急剧增加有时可能需要的高放电电流。使用 15n,放电电流不会过大,因此 TO5 有点大材小用!
    概括
    该电路在许多方面通常都有些矫枉过正,但在初设计时我并不知道终可能需要什么频率范围。所以我在这里和那里添加了额外的晶体管,因为它提高了潜在性能。碰巧的是,稳定性和射程要低得多就完全令人满意了。
    提供标记为“gang”的连接,以便可以将两个这样的振荡器连接在一起。较快的振荡器将占主导地位,两者将同步工作。
    大部分电路实际上是由分立晶体管制成的比较器。事实上,没有充分的理由不使用比较器。然而,对于所示的达林顿排列,基极电流非常小。对于更小的基极电流,可以用一对 JFET 交换长尾对。现代硅晶体管的工作电流可以低至新的纳安,因此充电电流可以非常小。增加 C1 并制作一个每周脉冲的振荡器怎么样!我并不是说我曾经达到过那么低的水平:我太不耐烦了,无法测量它!
    我确实为该电路设计了 PCB 布局:该电路板尺寸约为 50mm x 100mm,因此并不大。如果这个电路对任何企业都有用,值得做一批,就可以安排。该电路的优点是产量合理,并且经过多年的试验和测试。
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