锯齿形电压发生器

在现代无线电技术中，广泛地应用着像图1所示的一些锯齿形电压。例如，在示波管中，用来控制电子束的扫描，以便在荧光屏上得出表示时间的基线；在电视和雷达中，用来获得“扫描光栅”和表示目标距离的基线；以及用在“脉冲时间调制”多路通信，计算技术和测量技术中，等等。因此，锯齿形电压发生器是脉冲技术中很重要的基本电路之一。

锯齿形电压是周期性变化的电压（图1）。在周期T中的某一段时间t\(^{s}\)内，电压随时间线性变化（在图1a中是线性增加，在图1b中是线性减小）。这种线性变化过程是锯齿形电压的重要特点，也正是实际工作中所要利用的，所以我们把它叫做工作过程或正程，而t\(_{s}\)叫做正程时间。随后，在tr的时间内，电压迅速恢复到起始值，这段过程称为返程，而t\(_{r}\)称为返程时间。在图1a中，返程结束后立即开始下一个正程，所以这是一个连续的线性增长锯齿波。在图1b中，返程结束后还要再隔一段时间ti以后才开始下一个正程，所以这是一个间断的线性递减锯齿波。

锯齿波电压的幅度是用峰到峰值来表示的，如图1中的E\(_{m}\)所示。

实际所产生的锯齿形电压，总是和理想的线性变化电压有些差别，也就是电压在正程中不能完全沿直线变化（图2）。我们通常用非线性系数β来说明非线性的程度。β越小，就表示正程段电压曲线越接近于直线。实际中一般要求β越小越好。

锯齿形电压发生器，大都是利用电容器交替充电和放电的过程来产生锯齿波的。图3说明了这类发生器的基本原理。图3a是一个电压近似线性增长的锯齿波发生器。图中r\(_{i}\)《R，当K关闭时，电源电压E大部分降在R上，C上的电压uo接近于零。K一打开，电源E就通过大电阻R向C缓慢充电，u\(_{o}\)缓慢增长，形成正程。经过一段时间后，闭合K，于是正程结束。电容器通过ri迅速放电，使u\(_{o}\)迅速变回到接近于零，形成返程。随即打开K，电压uo又缓慢增长。这样交替地打开和闭合开关K，就在输出端得到一个幅度为E\(_{m}\)的锯齿形电压。图3b是一个电压近似按线性递减的锯齿波发生器。K闭合时，R上的电压uo接近于E。K一打开，电源E就开始通过R向C充电，C上的电压缓慢增加，R上的电压u\(_{o}\)逐渐减小形成正程。经过一段时间后，关合K，C迅速通过ri放电，R上的电压u\(_{o}\)又迅速增加到接近于E，形成返程。随即打开K，uo又缓慢下降。这样交替打开和闭合K，也可以在输出端得到一个幅度为Em的锯齿形电压。根据同样的分析，可以看到图3C也是一个电压大致按线性递减的锯齿波发生器。

很明显，我们不可能用手去控制开关K，因为和电容器充放电的时间相比较，手的动作是太慢、太不准确了。实际电路中常用氖管、闸流管、电子管或晶体管作成“电子开关”，来代替图3中的开关K。图4示闸流管锯齿波发生器。闸流管起了图3a中开关K的作用。刚一接上电源时，C上的电压为零，闸流管T截止，相当于K断开。E通过R向C充电，u\(_{o}\)逐渐增加。当增加到闸流管的点火电压U点时，闸流管突然点火而导电，内阻变得很小，相当于开关K闭合。于是C通过闸流管内阻和限流电阻Rb迅速放电。当电压u\(_{O}\)降低到不足维持闸流管燃烧时（图中U灭所示），闸流管熄灭，相当于K断开，C上电压u\(_{o}\)又缓慢增加。以后类似过程将继续重复下去。由此可见，闸流管的通断是随着C上电压u0的增减自动进行的，不需要外界触发，所以这是一个自激的锯齿波发生器。

电子管锯齿波发生器如图5所示。这里用电子管V\(_{1}\)作为电子开关。它的工作情况和闸流管锯齿波发生器相似，只不过电子管不能自动地交替截止和导电，必须靠栅极加上触发脉冲来做到这一点。在触发脉冲到来以前，外加信号在栅极上加一个很大的负偏压，使电子管截止，电源E通过R向C充电，形成正程。当栅极上有触发脉冲到来时，电子管导电，电容器C通过较小的电子管内阻ri迅速放是，形成返程。这样，当栅极上加入一系列的触发脉冲时，电容器C上的电压u\(_{o}\)也跟着作锯齿形变化。

在前述电路中，有两个最基本的问题。第一，电容器C的充电实际上是按指数规律变化的，它与真正的线性变化电压有很大差别，非线性系数β很大，因此必须设法使锯齿形电压直线化。第二，在电子管锯齿波发生器电路里，必须由外加触发脉冲来控制电子管的“开”“关”，因此实际电路里就应该研究怎样用简单的方法来得到可靠的触发脉冲。现在就来分别讨论一个这两个问题。

在简单的RC充放电线路里，造成锯齿电压非线性的根本原因，是充放电电流i\(_{c}\)不等于常数。拿图3a充电的情况来说，一开始充电时，C上电压接近于零，电源电压E整个加在R上，ic=E/R为最大。随着C上电压的增长，R两端的电压就逐渐减小，i\(_{c}\)也随着逐渐减小。ic减小说明C上电荷q的积累越来越慢，也就是C上的电压u\(_{o}\)增长得越来越慢（因为uo=C×q）。只有设法使i\(_{c}\)保持为常数，电容器上的电荷以及电压uo才能随时间线性增长。根据这一原理，在锯齿电压发生器中采用了很多形式的直线化电路。图6是应用五极管直线化电路的一个例子。这里仍以V\(_{1}\)作为开关管，但是用一个五极管V2代替了图5中的充电电阻R。大家知道，五极管的屏流在一定范围内不随着屏压的变化而变化，基本上保持为常数，因此可以用五极管作为恒流元件。选择一定的工作状态，可以使通过五极管的充电电流在整个正程内基本上保持不变，从而使电容器上的电压线性增长。图7是一种所谓“电压补偿”的直线化电路。图中V\(_{1}\)为开关管，V2是一个阴极输出器。在V\(_{1}\)截止期间，充电电流ic使C上的电压u\(_{o}\)逐渐升高，也就是阴极输出器V2的栅压（g点电压）升高。于是，V\(_{2}\)的阴极电压（k点电压）同样地随着升高，从而使R两端的电压在任何时刻都基本上保持不变（近似地等于E），使通过R的充电电流ic保持为常数（ER）。于是C上的电压u\(_{o}\)保持线性增长。

另一种改善直线性的方法是提高电源电压E。如图8所示，在RC充电时间常数相同的条件下，电源电压越高（例如E\(_{1}\)），则充电曲线的起始部分就越接近于直线。这种简单有效的方法，在大多数电视接收机的扫描电路中得到了广泛的应用。

在很多场合下，锯齿形电压发生器必须是一个自激振荡器。因此，很多实际电路往往是由一个自激脉冲振荡器（如多谐振荡器、间歇振荡器等等）和一个RC充放电线路（或加上直线化措施）相结合而组成的。

利用间歇振荡器作触发脉冲源的锯齿波发生器，不仅具有间歇振荡器的特点（简单、经济、可靠），而且它的重复周期以及正程、返程时间之比可以在很大范围内改变。因此，在电视接收机的扫描电路内，大都采用这种电路。图9所示电路即为实际电视接收机中的行扫描锯齿波发生器。在间歇振荡器休止期间，电子管V\(_{1}\)截止，屏流为零，因此电源就通过Ra向C\(_{a}\)充电，电容器Ca上的电压u\(_{o}\)逐渐增加。当电子管栅压uo由于C\(_{a}\)放电而上升到截止栅压-Ego时，电子管导电。在电子管导电的期间， C\(_{a}\)通过电子管的等效内阻ri迅速放电（因R\(_{a}\)》ri），完成一个周期，在输出端形成锯齿形电压。这里锯齿形电压的周期等于间歇振荡器的振荡周期，而正程和返程时间分别等于间歇振荡器的休止期和脉冲持续时间。

在大多数示波器中，用于水平偏转的锯齿形电压，大都是由一种变态的多谐振荡器来获得的。图10是这种扫描电路的原理图。这里电子管V\(_{1}\)和V2是一个正反馈放大器，组成变态的多谐振荡器。这个电路的分析方法，和上期“多谐振荡器”一文中所讲的方法相似，读者可以自己分析一下当做一个练习。分析结果表明，V\(_{1}\)和V2也是交替地截止和导电。在V\(_{1}\)的阴极接有RKCK充放电的电路。当V1导电时，电源E通过R\(_{1}\)和电子管内阻ri迅速向C\(_{K}\)充电，形成返程。当V1截止时，C\(_{K}\)通过RK缓慢放电，形成正程。因此，这是一个电压线性递减的锯齿波发生器，它和图3C的原理图相应。为了改善扫描的线性，放电元件R\(_{K}\)一般都用五极管来代替。

由于应用场合不同，所需锯齿波的形状和指标也有差别。因此，现在有各种各样的锯齿形电压发生器线路。但是，它们的基本原理都大致相同，都需要考虑到前面所说的两点基本原则，这就是如何使锯齿波直线化和用简单的方法得到触发脉冲。根据本文所讲的原理，就可以以一般锯齿形电压发生器电路进行分析，区别它们的特点以及判断它们的性能。(润年)