Делаем несложный функциональный генератор своими руками.

Каждый радиолюбитель, который изготавливает или повторяет радиоэлектронные устройства, рано или поздно сталкивается с необходимостью настройки и наладки собранных изделий.

В свою очередь, процесс настройки предполагает наличие соответствующих измерительных приборов. В наше время, безусловно, можно приобрести измерительные приборы промышленного изготовления, благо сейчас приборы стали широкодоступны.

Но, несложные приборы можно изготовить самостоятельно.

Вашему вниманию предлагается описание несложного функционального генератора, изготовленного мною много лет тому назад, который до сих пор находится в отличном работоспособном состоянии.

Функциональный генератор, это генератор колебаний, работающий в низкочастотном диапазоне (1Гц-100 кГц) и формирующий на выходе сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы. Описание этого функционального генератора было опубликовано в журнале Радио №6 за 1992 год.

Данный генератор значительно упрощает ремонт узлов и устройств низкочастотной аппаратуры. Внешний вид изготовленного мною функционального генератора.

На переднюю панель выведены:

Переключатель диапазонов генератора;

Переключатель режима работы генератора;

Ручка установки частоты генерируемых колебаний;

Регулятор уровня выходного напряжения;

Выключатель питания;

Гнездо выхода;

Предлагаемый функциональный генератор имеет следующие технические характеристики:

— диапазон генерируемых частот 1 Гц-100 кГц, разделен на пять поддиапазонов:

1) 1 Гц-10 Гц;

2) 10 Гц-100 Гц;

3) 100 Гц-1 кГц;

4) 1 кГц-10 кГц;

5) 10 кГц-100 кГц;

— максимальный размах сигналов прямоугольный формы -10 В;

— максимальный размах сигналов треугольной формы -6 В;

— максимальный размах сигналов синусоидальной формы -3,3 В;

Краткое описание схемы функционального генератора.

Принципиальная схема функционального генератора представлена ниже:

Задающий генератор собран на элементах DD1.1, DD1.2, DD1.3. На выходе элемента DD1.1 формируются треугольные импульсы. Прямоугольные импульсы формируются узлом на элементах DD1.2, DD1.3.

Преобразователь сигналов треугольной формы в синусоидальную собран на элементах VD1-VD6 и R10-R12.

Данный генератор обеспечивает получение «белого шума», источником которого является стабилитрон VD9. Напряжение «белого шума» усиливается до уровня 5В усилителем на элементе DD1.4.

Частота генерируемых колебаний устанавливается переменным резистором R3.

Для контроля частоты генерируемых функциональным генератором колебаний мною был применен частотомер, описание которого опубликовано в брошюре «В помощь радиолюбителю» №99. Схема частотомера была немного доработана: добавлен еще один разряд индикации и заменены люминесцентные индикаторы типа ИВ-3 на светодиодные типа АЛС314А. Частотомер размещен в одном корпусе с функциональным генератором.

Принципиальная схема частотомера, с учетом вышеизложенных доработок приведена ниже:

Конечно же, в наши дни «городить» такой частотомер нет никакой необходимости. Все гораздо проще и компактнее получается на микроконтроллерах. Схема предоставлена в ознакомительных целях.

Настало время проверить работоспособность генератора.

Форму и размах колебаний проверяем при помощи осциллографа.

Синусоидальные колебания . Синусоида чистая, частота около 1000 Гц. Параметры каналов вертикального и горизонтального отклонения указаны на фото.

Треугольные колебания также имеют правильную форму:

Прямоугольные колебания выглядят не менее достойно. Меандр ровный и четкий, без выбросов, с крутыми фронтами.

Реальные технические характеристики функционального генератора практически соответствуют заявленным в авторской статье.

Небольшое видео, демонстрирующее работу цифровой шкалы функционального генератора:

Наглядно видно, как происходит подсчет количества импульсов.

Пилообразным называют напряжение, нарастающее пропорционально времени и убывающее скачкообразно. На рис. 46, а показано идеальное пилообразное напряжение, имеющее время нарастания t нар и время спада t сп, равное нулю. Очевидно, что период такого напряжения Т равен времени нарастания. Реальные генераторы пилообразного напряжения имеют не совсем линейно нарастающее напряжение и не равное нулю время его спада (рис. 46, б ).

Пилообразное напряжение применяют для разверстки электронного луча в электронно-лучевых приборах.

Рис. 46. Кривые изменения идеального (а) и реального (б) пилообразного напряжения

Рассмотрим работу управляемого транзисторного генератора пилообразного напряжения с емкостной обратной связью (рис. 47).

Рис. 47. Схема генератора пилообразного напряжения

Генератор управляется импульсами отрицательной полярности через диод VDI. В исходном состоянии транзистор VT1 заперт положительным напряжением, подаваемым от источника э.д.с. Е бэ через резистор R 2 ,диод VDI и резистор R 1 .Конденсатор С заряжается через R K , R 1 , VDI и R 2 приблизительно до напряжения Е кэ .При подаче управляющего импульса диод VD1 запирается. Транзистор VTI открывается, так как напряжение на его базу подается теперь через резистор R. Начинается разряд конденсатора через открытый транзистор. Потенциалы базы и коллектора в момент отпирания транзистора скачком уменьшаются. Емкостная обратная связь между коллектором и базой поддерживает ток разряда конденсатора почти неизменным.

В момент окончания управляющего импульса диод отпирается, транзистор закрывается напряжением источника э.д.с. Е бэ, и начинается заряд конденсатора С .

Для обеспечения полного разряда конденсатора и получения максимальной амплитуды пилообразного напряжения длительность управляющих импульсов выбирают исходя из соотношения

τ = (1,1 – 1,2) t разр

где t разр - время разряда конденсатора.

Частота пилообразного напряжения определяется параметрами разрядной цепи и ограничивается частотными свойствами транзистора.

Кадровая развертка. Задающий генератор пилообразного напряжения (рис. 11.4) собран на транзисторах VT1 и VT2. При включения питающего напряжения конденсаторы С1 и С2 заряжа­ются. Через базовые цепи транзисторов протекают токи, которые выводят транзисторы в режим насыщения. Спустя некоторое время зарядный ток конденсаторов уменьшится и достигнет такого значе­ния, при котором один из транзисторов выйдет из насыщения. Изменение напряжения в цепи коллектора транзистора VT1 закроет транзистор VT2. В результате конденсатор С1, включенный в цепь ООС, будет медленно разряжаться через коллекторную цепь тран­зистора VT1. Так как отрицательно заряженная обкладка конден­сатора С1 подключена к базе транзистора VT1, при разряде конденсатора уменьшается ток базы и в результате автоматически уста­навливается такое соотношение между токами коллектора и базы, которое точно равно коэффициенту передачи тока транзистора. За все время разряда конденсатора ток базы и напряжение на базе меняются незначительно. Ток через резисторы R1 и R2 остается постоянным и не зависит от процессов, протекающих в устройстве. Таким образом, во время прямого хода в генераторе имеется глубо­кая ООС, поддерживающая постоянным ток разряда конденсатора С1, а следовательно, и высокую линейность пилообразного напря­жения. Поскольку коэффициент передачи тока транзистора меняет­ся в зависимости от приложенного напряжения (в первоначальный момент на 1 - 2%), то и нелинейность сигнала будет характеризо­ваться таким же значением. Процесс разряда конденсатора прекра­щается при таких напряжениях на коллекторе, которые требуют для управления током коллектора значительного увеличения тока базы. Коэффициент передачи тока транзистора резко падает. В этом слу­чае на базе транзистора VT2 значительно уменьшается закрываю­щий сигнал. Транзистор VT2 открывается. В его коллекторе появ­ляется положительное напряжение, открывающее транзистор. Воз­никает лавинообразный процесс. Оба транзистора открыты. Цикл работы повторяется.

Рис. 11.4

Приведенные на схеме номиналы элементов формируют на вы­ходе сигнал с амплитудой больше 10 В и с частотой 50 Гц. Для регулирования амплитуды выходного сигнала и его линейности служат резисторы R7 и R8 соответственно. Резистор R1 меняет ча­стоту задающего генератора.

Генератор двухполярного пилообразного сигнала. Генератор пилообразного сигнала с регулируемым наклоном (рис. 11.5) состо­ит из двух интегрирующих цепочек R5, С1 и R2, С2 и порогового элемента, построенного на транзисторах VT1 и VT2. При включении питания на базе транзистора VT2 возникает сигнал 10 В. По мере заряда конденсатора С1 напряжение уменьшается. В это время на­пряжение на базе транзистора VT1 увеличивается. На разных кон­цах потенциометра существуют сигналы с различными фронтами. Когда напряжение на базах транзисторов VT1 и VT2 сравняется, они откроются и произойдет разряд конденсаторов. После этого начнется новый цикл работы генератора. Наклон выходного пило­образного сигнала можно регулировать с помощью потенциометра в широких пределах.

Рис. 11.5

Рис. 11.6

Управляемый генератор. Генератор пилообразного сигнала (рис. 11.6, а) построен по схеме интегратора с большой постоянной времени, которая определяется выражением т = h 21 Э C 1 R 4 где h 21э - коэффициент передачи тока транзистора VT1. Транзистор VT1 медленно открывается: конденсатор С1 включен в цепь ООС. Напряжение в цепи коллектора уменьшается. В некоторый момент открывается диод VD2 и шунтирует вход транзистора VT2. Тран­зистор VT2 закрывается. Для ускорения процесса закрывания в его коллектор включена динамическая нагрузка - транзистор VT3. Через эмиттер транзистора VT3 конденсатор С1 быстро заряжается. В ре­зультате обратный ход пилообразного сигнала сведен к минимуму. Его длительность составляет менее 5 икс. Длительность пилообраз­ного сигнала можно регулировать с помощью базового тока тран­зистора VT1 (рис. 11.6,6).

Генератор пилообразного сигнала на интеграторе. В основу ге­нератора (рис. 11.7) положен интегратор на транзисторе. В качест­ве порогового и усилительного элементов используется интегральная микросхема К122УД1. Порог срабатывания микросхемы, равный 3 В, устанавливается делителем Rl, R2. При включении питания в коллекторе транзистора напряжение не может измениться скач­ком. Отрицательная обратная связь через конденсатор формирует на выходе линейно нарастающий сигнал. Постоянная времени равна т=h 21Э R 3 С 2 , где h 21Э - коэффициент передачи тока транзистора. Когда напряжение на коллекторе достигнет 3 В, интегральная мик­росхема переключится. Положительное напряжение на выводе 5 пройдет через диод и откроет транзистор. Произойдет разряд кон­денсатора С2. На коллекторе вновь появится нулевой потенциал.

Рис. 11.7

Схема начнет новый цикл работы. Схема с указанными номиналами элементов формирует выходной сигнал с амплитудой 3 В, частотой следования 100 Гц и длительностью заднего фронта 0,1 мс.

Запускаемый генератор двухполярного сигнала. Для получения высоковольтного сигнала пилообразной формы в генераторе (рис. 11.8) применяют два каскада, на выходах которых формиру­ются падающий и нарастающий сигналы. Каждый каскад состоит из двух транзисторов. Транзисторы VT2 и VT4 являются сбрасыва­ющими, a VT1 и VT3 - активными элементами, в коллекторах ко­торых формируются выходные сигналы. После включения питания напряжение на коллекторе транзистора VT3 не может скачком из­мениться. Этому препятствует ООС через конденсатор С2. Напря­жение на коллекторе будет медленно нарастать. Скорость увеличе­ния напряжения определяется постоянной времени т=Л 2 1Э Cz(Ru-{- +Rт), где hzi Э - коэффициент передачи тока транзистора. Рези­стор R7 является ограничивающим. В другом каскаде в первый мо­мент появляется напряжение 100 В. Далее напряжение уменьшается и стремится к нулю. Сброс напряжения в коллекторе транзистора VT1 происходит в тот момент, когда приходит входной импульс. В это время открывается транзистор VT4. Импульсный сигнал с конденсатора С4 проходит на базу транзистора VT2 и открывает его. Происходит одновременный сброс конденсаторов С1 и С2.

Рис. 11.8

Генератор пилообразного сигнала с регулируемой линейностью. В основу генератора (рис. 11.9) положен принцип заряда конденсатора С2 стабилизированным током. Стабилизатор тока построен на транзисторе VT2. Сигнал с конденсатора С2 поступает на вход эмиттерного повторителя. При формировании пилообразного сигнала напряжение на конденсаторе увеличивается. Одновременно с повы­шением напряжения на конденсаторе увеличивается ток базы тран­зистора VT3. В результате конденсатор заряжается не постоянным током, как того требует линейное нарастание напряжения, а током, уменьшающимся во времени. На заряд конденсатора влияет входное сопротивление эмиттерного повторителя. Для получения пилообраз­ного напряжения необходимо скомпенсировать ток базы транзисто­ра. Этого можно достигнуть цепью ОС, связывающей эмиттеры тран­зисторов VT2 и VT3. С увеличением выходного сигнала эмиттерного повторителя увеличивается эмнттерный ток транзистора VT2. Меняя сопротивление резистора R9 в цепи ОС, мы можем добиться возра­стающей или убывающей формы выходного сигнала.

Рис. 11.9

Для разряда конденсатора в схеме применяется блокинг-генера-тор. Во время заряда конденсатора диод закрыт питающим напря­жением. Когда транзистор VT1 открыт, конденсатор С2 разряжает­ся через диод VD1. Амплитуда выходного сигнала регулируется ре­зистором R5, а частота - резистором R1. Максимальная амплитуда равна 15 В.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Генератор на полевом транзисторе. В основу генератора (рис. 11.10) положен заряд конденсатора-постоянным током, кото­рый задается полевым транзистором VT4. Скорость заряда конден­сатора определяется резистором R10. Нарастающее напряжение подается на базу транзистора эмиттерного повторителя, выход ко­торого подключен к триггеру - транзисторы VT1 и VT2. Выходной сигнал триггера поступает на базу транзистора VT3 для сброса напряжения на конденсаторе.

В исходном состоянии транзисторы VT2 и VT3 закрыты. Как только напряжение на конденсаторе достигнет б В, срабатывает триггер и открывается транзистор VT3. Конденсатор разряжается через открытый транзистор. При уменьшении напряжения на кон­денсаторе до 1 В триггер возвращается в исходное состояние. На­чинается новый цикл заряда конденсатора.

Приведенные на схеме номиналы элементов позволяют регули­ровать частоту выходного сигнала от 15 до 30 кГц. Если поставить конденсатор емкостью 0,033 мкФ, то частота выходного сигнала рав­на 1 кГц.

Рис. 11.10 Рис. 11.11

Генератор сигнала треугольной формы на ОУ. В схеме рис. 11.11 на конденсаторе С формируется сигнал треугольной фор­мы с амплитудой 0,6 В. Заряд и разряд конденсатора осуществля­ются выходным сигналом ОУ, который автоматически меняется в тот момент, когда напряжение на конденсаторе достигает порога открывания. Порог открывания устанавливается делителем R2 и R3. Частота следования выходного сигнала определяется выражени­ем f=l/4R 1 C. Для выравнивания наклонов фронта и спада выход­ного сигнала служит резистор R6.

Формирователь треугольного сигнала. Формирователь рис. 11.12 позволяет получить на выходе сигнал треугольной формы. Амплиту­да сигнала достигает 90% напряжения питания при достаточно вы­сокой линейности фронтов.

В основу формирователя положен принцип заряда и разряда конденсатора через генераторы тока, построенные на транзисторах. Коллекторные токи транзисторов определяются опорными напряже­ниями стабилитронов и эмиттерными резисторами. При отсутствии входного сигнала через транзисторы должны протекать равные токи. Если равенство токов не выполняется из-за разброса номиналов стабилитронов и резисторов, то следует подстроить резистор R4. Появление входного сигнала с амплитудой больше напряжения про­боя стабилитронов вызовет разбаланс коллекторных токов. Поло­жительная полуволна входного сигнала уменьшит ток транзистора VT2. Ток транзистора VT1 останется без изменения. Разностный коллекторный ток будет заряжать конденсатор. С приходом отри­цательной полуволны уменьшится коллекторный ток транзистора VT1. Ток транзистора VT2 установится номинальным. Конденсатор будет разряжаться током транзистора VT2. Если амплитуда вход­ного сигнала меньше напряжения питания, то наблюдается прямая зависимость между амплитудами входного и выходного сигналов, а если больше напряжения питания, то амплитуда выходного сиг­нала постоянна.

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле С= 10 3 I/2fU m ах (мкФ), где I - ток транзистора; f - частота вход­ного сигнала; U max - амплитуда выходного сигнала.

Рис. 11.12 Рис. 11.13 Рис. 11.14

Рис. 11.15

Широкодиапазонный генератор сигнала треугольной формы. Ге­нератор сигнала треугольной формы (рис. 11.13) позволяет полу­чить частоту от 0,01 Гц до 0,1 МГц. Выходной сигнал 20 В формируeтся на конденсаторе С4 коллекторными токами транзисторов VT4, VT6. При заряде конденсатора транзисторы VT4 и VT5 откры­ты, а транзисторы VT3 и VT6 закрыты. Когда напряжение на кон-денсаторе возрастет до уровня, определяемого делителем R1 - R3 транзистор VT1 откроется. Следом за ним откроются транзисторы VT3 и VT6, которые закрывают транзисторы VT4 и VT5 Начнется процесс разряда конденсатора через транзистор VT6 По достиже­нии нижнего уровня откроется транзистор VT2. Этот процесс воз-вращает схему в первоначальное состояние. Вновь начинается заряд конденсатора. Частота выходного сигнала может линейно меняться с помощью резистора R5 с перекрытием в 20 раз. Для конденсатора емкостью 1 нФ и при R5 = 510 кОм частота равна 001 Гц

Формирователь ступенчатого сигнала. В исходном состоянии (рис. 11 14) конденсатор заряжен до напряжения питания Все тран­зисторы закрыты. Входной импульс положительной полярности от­крывает транзистор VT1. Через этот транзистор протекает ток ко­торый разряжает конденсатор. Напряжение на конденсаторе умень­шается. Второй входной импульс также разрядит конденсатор на дискретное значение напряжения. В результате этого каждый им­пульс будет ступеньками уменьшать напряжение на конденсаторе Как только напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением на делителе R4, R5, открывается транзистор VT2 и наступает ре­лаксационный процесс в составном каскаде. Транзисторы VT2 и VT3 открываются. Происходит процесс заряда конденсатора После этого начинается новый цикл разряда конденсатора.

Генератор трапецеидального сигнала с регулируемой длитель­ностью фронта. В основу генератора (рис. 11.15) положен мульти­вибратор который управляет работой токозадающих транзисторов VT3 и VT4. Когда транзистор VT2 открыт, через транзистор VT3 протекает зарядный ток конденсатора СЗ. Скорость нарастания на­пряжения на конденсаторе (или фронт выходного сигнала) зависит от зарядного тока, который регулируется резистором R12 Макси­мальное напряжение на конденсаторе ограничено стабилитроном VD2. При переключении транзисторов мультивибратора в другое состояние начинается процесс разряда конденсатора. Транзистор VT3 закрывается, а транзистор VT4 открывается. Разрядный ток транзистора VT4 регулируется с помощью резистора R15. Значение этого тока определяет спад выходного сигнала. Частота и скваж­ность выходного сигнала регулируются резисторами R2 и R4. Гене­ратор может работать в широком диапазоне частот, вплоть до 1 МГц. При больших изменениях частоты выходного сигнала необ­ходимо менять номиналы емкостей конденсаторов С1 и С2.

ГЕНЕРАТОРЫ НА ОУ

Управляемый генератор сигнала пилообразной формы. Ге­нератор (рис. 11.16) состоит из порогового устройства и интегра­тора. Выходное напряжение отрицательной полярности порогового устройства, построенного на ОУ DA1, подается на вход интегратора. Конденсатор С, включенный в цепь ООС, постепенно заряжается. На выходе ОУ DA2 формируется линейно нарастающий сигнал. Когда на неинвертирующем входе ОУ DA1 будет нулевой потенци­ал, произойдет ее переключение. Выходной сигнал положительной полярности проходит через диод и разряжает конденсатор. Когда конденсатор полностью разрядится, ОУ DA1 вновь вернется в ис­ходное состояние и начнется новый цикл формирования выходного сигнала. Частота следования выходного сигнала определяется вы­ражением f = 3/C(R 3 + R 4).

Генератор на ОУ К153УД1. Генератор треугольных импульсов (рис. 11.17, а) построен на двух ОУ. Первый ОУ выполняет функции интегратора, а второй является пороговым элементом. Напряжение на выходе ОУ DA1 линейно возрастает (убывает). Когда оно срав­няется по абсолютному значению с выходным напряжением ОУ DA2, переключится второй ОУ и на делителе R5, R6 изменится полярность напряжения. В этом случае выходной сигнал ОУ DA1 будет линейно убывать (возрастать). В последующий момент про­изойдет сравнение выходного сигнала ОУ DA1 с порогом закрыва­ния ОУ DA2. Произойдет вторичное переключение ОУ DA2. Зави­симость периода сигнала треугольной формы от коэффициента передачи ОУ DA2 показана на рис. 11.17,6.

Генератор на однопереходном транзисторе с усилителем. Гене­ратор пилообразного сигнала (рис. 11.18, а) построен на ОУ, кото­рый выполняет функции интегратора. Скорость нарастания выход­ного сигнала зависит от входного напряжения. Когда напряжение на выходе ОУ достигнет 8 В, открывается однопереходный транзи­стор. Положительный импульс на резисторе R2 проходит через диод, и разряжается интегрирующий конденсатор. Зависимость ча­стоты выходного сигнала от на­пряжения на входе показана на рис. 11.18, б.

Рис. 11.16 Рис. 11.17

Генератор с двойной ПОС. Ге­нератор (рис. 11.19, а) состоит из интегратора, выполненного на ОУ DA2. Когда ОУ DA2 переключа­ется, на его неинвертирующий вход подается напряжение ПОС, которое определяет порог срабатывания схемы. С потенциометра R4 на неинвертирующий вход ОУ DA1 действует вторая ПОС. Если величина этой связи меньше порога открывания ОУ DA2, то передний фронт импульсного сигнала на выходе ОУ DA1 пройдет через конденсатор С1 на инвертирующий его вход. С этого момента начинается про­цесс заряда конденсатора С1. Напряжение на выходе ОУ DA1 мед­ленно увеличивается. Когда оно достигнет порога открывания ОУ DA2, происходит переключение ОУ DA2. Начинается процесс разряда конденсатора С1. Частота следования импульсов выходно­го сигнала определяется выражением f=K 2 /4RC(K 1 -K 2);

Рис. 11.18

Рис. 11.19

Рис. 11.20

K 1 = R 2 /(R 2 +R 3); K 2 = R" 4 /(R" 4 +R" 4). В зависимости от уровня сиг­нала ПОС в ОУ DA1 можно регулировать ступеньку выходного сигнала. Максимальное значение, ДE определяется напряжением на делителе R2, R3. На рис. 11.19,6 приведены эпюры напряжения в гонках схемы.

Запускаемый генератор сигнала. Выходное напряжение (рис. 11.20, а), формируемое на конденсаторе СЗ, равно U 3 = = (t/C 3)I 2 . Конденсатор заряжается линейно возрастающим током I 2 = U 2 /R 5 транзистора VT2. Управление коллекторным током тран­зистора VT2 осуществляется напряжением на конденсаторе С2 (U 2 = (t/С 2)I 3). Это напряжение зависит от тока транзистора VT3 (l 3 =U Б /R 4). В результате U 3 = U б t 2 /C 2 C 3 R 4 R 5 . Для указанных на схеме номиналов элементов частота выходного сигнала равна 5 кГц. Сброс конденсаторов С2 и СЗ осуществляется внешним сиг­налом через транзисторы VT4 и VT1. На рис. 11.20,6 приведены эпюры напряжения в разных точках схемы.

Формирователь сигнала вида sec x . Формирование функции secx осуществляется от входного гармонического сигнала. Схема (рис. 11.21, а) может работать от единиц герц до сотен килогерц. В первом транзисторе происходит ограничение входного сигнала с амплитудой 2,5 В. Второй транзистор увеличивает крутизну фронтов прямоугольного сигнала и меняет его фазу. Сигнал на коллекторе транзистора VT2 суммируется с входным сигналом на резисторе R6. Выходной сигнал выбирается в определенной точке потенциометра так, чтобы можно было установить определенное значение глубины впадины функции sec я. Следует заметить, что эта схема формирования может давать погрешность в некоторых точках до 10%. При увеличении амплитуд меандрового и гармонического сиг­налов погрешность уменьшается. Для увеличения точности форми­рования функции sec а; можно поставить на входе схему диодного ограничения (рис. 11.21,6). Роль этой схемы заключается в том, чтобы сгладить вершины гармонического сигнала. С пом-ощью до­полнительной схемы точность моделирования может быть повыше­на до 5%.

Рис. 11.21

ГЕНЕРАТОРЫ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

Диодный генератор сложных сигналов. Сигналы сложной формы образуются (рис. 11.22) в результате изменения коэффици­ента усиления дифференциального усилителя. При малых входных сигналах все диоды закрыты. Коэффициент усиления, определяемый резисторами R2, R3 и R11, R12, близок к единице. С увеличением уровня входного сигнала начинают проводить диоды в эмиттерных цепях транзисторов. Это приводит к увеличению коэффициента уси­ления. Выходной сигнал становится более крутым. Три уровня из­менения коэффициента усиления используются как для положитель­ной, так и для отрицательной полярностей входного сигнала. Каждая цепь, состоящая из диодов и потенциометра, определяет разный порог открывания. Точная форма выходного сигнала под­страивается соответствующим потенциометром.

Дискретный формирователь сигналов специальных форм. В ос­нове генератора (рис. 11.23) лежит многофазный мультивибратор, который запускается импульсом положительной полярности. В схе­ме поочередно будут открываться транзисторы VT3. В открытом состоянии находится лишь один транзистор. В проводящее состоя­ние перейдет транзистор VT2, который в эмиттер транзистора VT1 направит ток, определяемый рези­стором R5. Если сопротивления резисторов меняются по опреде­ленному закону, то амплитуда выходного сигнала меняется по этому же закону. С помощью ре­зисторов R5 можно получить лю­бой закон изменения выходного сигнала. Частота переключения каналов определяется постоянной времени R 6 C 2 .

Рис. 11.22 Рис. 11.23

Рис. 11.24

Генератор функций. На вход генератора (рис. 11.24) подается импульсный сигнал положительной полярности. Логическая схема 2И - НЕ интегральной микросхе­мы К133ЛАЗ закрывается. На вы­ходе 1 появляется сигнал отрица­тельной полярности с длитель­ностью, равной длительности вход­ного сигнала. Этот сигнал на RС-цепочке дифференцируется, и положительный импульс закрывает вторую логическую схему. На выходе этой схемы появляется импульс отрицательной полярности длительностью 5 мкс. Все последующие цепочки работают аналогичным образом. На выходах 1 - 7 последовательно друг за другом воз­никают импульсные сигналы. Все эти сигналы суммируются через определенные весовые резисторы на входе ОУ. В зависимости от по­следовательности принятых сопротивлений весовых резисторов на выходе ОУ можно сформировать сигнал любой сложности. Амплиту­да выходного сигнала определяется сопротивлением резистора R4. Для балансировки ОУ сопротивление резистора R3 подбирается под суммарное сопротивление весовых резисторов.

Введем обозначения
,
,
, тогда полученное уравнение можно переписать в виде

. (7)

Это неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка, решение которого имеет вид

. (8)

Постоянную интегрирования найдем из начальных условий (1). Т.к. в начальный момент времени
, то
, следовательно, (8) можно записать, как

.

Тогда напряжение на выходе будет меняться по закону

(9)

Здесь
имеет тот же смысл, что и ранее.

Поскольку напряжение на выходе системы через время рабочего хода должно равняться величине
, где
- амплитуда пилообразного напряжения, то, решая (9) относительно времени, получим

. (10)

Аналогично для цепи разряда, принимая во внимание что
и
.

2. Расчет схемы.



Для правильной работы схемы требуется, чтобы коэффициент усиления по инвертирующему входу был больше единицы. Пусть
, выберем резисторR2 на номинал 20 кОм, тогда R1= 10 кОм.

Рассчитаем коэффициент усиления по неинвертирующему входу .

Требуется обеспечить коэффициент нелинейность 0,3 % , тогда постоянная времени заряда конденсатора должна быть не меньше величины

3. 

   Тогда напряжение на выходе будет менятся по закону:

4. ,

   Так если задать
   В, то
   = 1067

   тогда К = = = 0,014 при условии напряжения питания в цепи транзистора 15 В.

   Принимая во внимание полученные ранее обозначения, рассчитаем сопротивление соотношение сопротивлений R3 и R4

   .

   Зададимся сопротивлением в цепи коллектора транзистора R3 = 10 кОм, тогда получаем, что R4 = 20 кОм.

   В свою очередь с, следовательно, емкость конденсатора составит порядка 224 пФ, выбираем 220 пФ.

   Перейдем к расчету цепи разряда. Для цепи разряда справедливо

   . (13)

   Подставим в (13) формулы из (11), разрешим относительно R6, получим

   .

   Откуда следует, при подстановке численных значений, что R6 = 2 мОм.

   Получим выражение для времени обратного хода

   , (11)

   где
   ,
   ,
   .

   Если выражение (9) продифференцировать по времени и умножить на С1, то коэффициент нелинейности напряжения, будет определяться формулой

   t p /,где =RC

   Исходя из проведенных исследований, перейдем к расчету параметров и выбору элементов схемы.

   Ток, протекающий в момент, когда транзистор открывается, через сопротивление R6 оценим исходя из следующих рассуждений. В момент переключения все напряжение на конденсаторе приложено к сопротивлению, поэтому через него потечет ток
   мкА.

   В качестве ключа можно использовать транзистор с подходящими параметрами типа КТ342Б. Резистор R5, ограничивающий ток базы, выберем порядка 1 кОм. Поскольку максимальный ток коллектора 50 мА, а коэффициент усиления по току 200, то ток насыщения базы будет равен 250 мкА, следовательно на резисторе напряжение составит 0,25 В. Примем напряжение насыщения база-эммитер – 1 В. Падение напряжения на сопротивлении R6, при максимальном токе протекающем через R3 и R4 добавленному к R6 составит 6,08 В. Таким образом, для надежного отпирания транзистора и его удержания в открытом состоянии требуется импульс амплитудой 8 В.

Генератор – это автоколебательная система, формирующая импульсы электрического тока, в которой транзистор играет роль коммутирующего элемента. Изначально, с момента изобретения, транзистор позиционировался как усилительный элемент. Презентация первого транзистора произошла в 1947 году. Презентация полевого транзистора произошла несколько позже – в 1953 г. В генераторах импульсов он играет роль переключателя и только в генераторах переменного тока он реализует свои усилительные свойства, одновременно участвуя в создании положительной обратной связи для поддержки колебательного процесса.

Наглядная иллюстрация деления частотного диапазона

Классификация

Транзисторные генераторы имеют несколько классификаций:

• по диапазону частот выходного сигнала;
• по типу выходного сигнала;
• по принципу действия.

Диапазон частот – величина субъективная, но для стандартизации принято такое деление частотного диапазона:

• от 30 Гц до 300 кГц – низкая частота (НЧ);
• от 300 кГц до 3 МГц – средняя частота (СЧ);
• от 3 МГц до 300 МГц – высокая частота (ВЧ);
• выше 300 МГц – сверхвысокая частота (СВЧ).

Таково деление частотного диапазона в области радиоволн. Существует звуковой диапазон частот (ЗЧ) – от 16 Гц до 22 кГц. Таким образом, желая подчеркнуть диапазон частот генератора, его называют, например ВЧ или НЧ генератором. Частоты звукового диапазона в свою очередь также подразделяются на ВЧ, СЧ и НЧ.

По типу выходного сигнала генераторы могут быть:

• синусоидальные – для генерации синусоидальных сигналов;
• функциональные – для автоколебания сигналов специальной формы. Частный случай – генератор прямоугольных импульсов ;
• генераторы шума – генераторы широкого спектра частот, у которых в заданном диапазоне частот спектр сигнала равномерный от нижнего до верхнего участка частотной характеристики.

По принципу действия генераторов:

• RC-генераторы;
• LC-генераторы;
• Блокинг-генераторы – формирователь коротких импульсов.

Ввиду принципиальных ограничений обычно RC-генераторы используются в НЧ и звуковом диапазоне, а LC-генераторы в ВЧ диапазоне частот.

Схемотехника генераторов

RC и LC генераторы синусоидальные

Наиболее просто реализуется генератор на транзисторе в схеме емкостной трехточки – генератор Колпитца (рис. ниже).

Схема генератора на транзисторе (генератор Колпитца)

В схеме Колпитца элементы (C1), (C2), (L) являются частотозадающими. Остальные элементы представляют собой стандартную обвязку транзистора для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току. Такой же простой схемотехникой обладает генератор, собранный по схеме индуктивной трехточки – генератор Хартли (рис. ниже).

Схема трехточечного генератора с индуктивной связью (генератор Хартли)

В этой схеме частота генератора определяется параллельным контуром, в который входят элементы (C), (La), (Lb). Конденсатор (С) необходим для образования положительной обратной связи по переменному току.

Практическая реализация такого генератора более затруднительна, поскольку требует наличия индуктивности с отводом.

И тот и другой генераторы автоколебания находят преимущественно применение в СЧ и ВЧ диапазонах в качестве генераторов несущих частот, в частотозадающих цепях гетеродинов и так далее. Регенераторы радиоприемников также основаны на генераторах колебаний. Указанное применение требует высокой стабильности частоты, поэтому практически всегда схема дополняется кварцевым резонатором колебаний.

Задающий генератор тока на основе кварцевого резонатора имеет автоколебания с очень высокой точностью установки значения частоты ВЧ генератора. Миллиардные доли процента далеко не предел. Регенераторы радиостанций используют только кварцевую стабилизацию частоты.

Работа генераторов в области низкочастотного тока и звуковой частоты связана с трудностями реализации высоких значений индуктивности. Если быть точнее, то в габаритах необходимой катушки индуктивности.

Схема генератора Пирса является модификацией схемы Колпитца, реализованной без применения индуктивности (рис. ниже).

Схема генератора Пирса без применения индуктивности

В схеме Пирса индуктивность заменена кварцевым резонатором, что позволило избавиться от трудоемкой и громоздкой катушки индуктивности и, в то же время, ограничило верхний диапазон колебаний.

Конденсатор (С3) не пропускает постоянную составляющую базового смещения транзистора на кварцевый резонатор. Такой генератор может формировать колебания до 25 МГц, в том числе и звуковой частоты.

Работа всех вышеперечисленных генераторов основана на резонансных свойствах колебательной системы, составленной из емкости и индуктивности. Соответственно, частота колебаний определяется номиналами этих элементов.

RC генераторы тока используют принцип фазового сдвига в резистивно-емкостной цепи. Наиболее часто применяется схема с фазосдвигающей цепочкой (рис. ниже).

Схема RC генератора с фазосдвигающей цепочкой

Элементы (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) выполняют сдвиг фазы для получения положительной обратной связи, необходимой для возникновения автоколебаний. Генерация возникает на частотах, для которых фазовый сдвиг оптимален (180 гр). Фазосдвигающая цепь вносит сильное ослабление сигнала, поэтому такая схема имеет повышенные требования к коэффициенту усиления транзистора. Менее требовательна к параметрам транзистора схема с мостом Вина (рис. ниже).

Схема RC генератора с мостом Вина

Двойной Т-образный мост Вина состоит из элементов (C1), (C2), (R3) и (R1), (R2), (C3) и представляет собой узкополосный заграждающий фильтр, настроенный на частоту генерации. Для всех остальных частот транзистор охвачен глубокой отрицательной связью.

Функциональные генераторы тока

Функциональные генераторы предназначены для формирования последовательности импульсов определенной формы (форму описывает некая функция – отсюда и название). Наиболее часто встречаются генераторы прямоугольных (если отношение длительности импульса к периоду колебаний составляет ½, то такая последовательность называется «меандр»), треугольных и пилообразных импульсов. Самый простой генератор прямоугольных импульсов – мультивибратор, подается как первая схема начинающих радиолюбителей для сборки своими руками (рис. ниже).

Схема мультивибратора – генератора прямоугольных импульсов

Особенностью мультивибратора является то, что в нем можно использовать практически любые транзисторы. Длительность импульсов и пауз между ними определяется номиналами конденсаторов и резисторов в базовых цепях транзисторов (Rb1), Cb1) и (Rb2), (Cb2).

Частота автоколебания тока может изменяться от единиц герц до десятков килогерц. ВЧ автоколебания на мультивибраторе реализовать невозможно.

Генераторы треугольных (пилообразных) импульсов, как правило, строятся на основе генераторов прямоугольных импульсов (задающий генератор) путем добавления корректирующей цепочки (рис. ниже).

Схема генератора треугольных импульсов

Форма импульсов, близкая к треугольной, определяется напряжением заряда-разряда на обкладках конденсатора С.

Блокинг-генератор

Предназначение блокинг-генераторов состоит в формировании мощных импульсов тока, имеющих крутые фронты и малую скважность. Длительность пауз между импульсами намного больше длительности самих импульсов. Блокинг-генераторы находят применение в формирователях импульсов, сравнивающих устройствах, но основная область применения – задающий генератор строчной развертки в устройствах отображения информации на основе электронно-лучевых трубок. Также блокинг-генераторы с успехом применяются в устройствах преобразования электроэнергии.

Генераторы на полевых транзисторах

Особенностью полевых транзисторов является очень высокое входное сопротивление, порядок которого соизмерим с сопротивлением электронных ламп. Перечисленные выше схемотехнические решения универсальны, просто они адаптированы под использование различных типов активных элементов. Генераторы Колпитца, Хартли и другие, выполненные на полевом транзисторе, отличаются только номиналами элементов.

Частотозадающие цепи имеют те же соотношения. Для генерирования ВЧ колебаний несколько предпочтительнее простой генератор, выполненный на полевом транзисторе по схеме индуктивной трехточки. Дело в том, что полевой транзистор, имея высокое входное сопротивление, практически не оказывает шунтирующее действие на индуктивность, а, следовательно, работать высокочастотный генератор будет стабильнее.

Генераторы шума

Особенностью генераторов шума является равномерность частотной характеристики в определенном диапазоне, то есть амплитуда колебаний всех частот, входящих в заданный диапазон, является одинаковой. Генераторы шума находят применение в измерительной аппаратуре для оценки частотных характеристик проверяемого тракта. Генераторы шума звукового диапазона часто дополняются корректором частотной характеристики с целью адаптации под субъективную громкость для человеческого слуха. Такой шум называется «серым».

Видео

До сих пор существует несколько областей, в которых применение транзисторов затруднено. Это мощные генераторы СВЧ диапазона в радиолокации, и там, где требуется получение особо мощных импульсов высокой частоты. Пока еще не разработаны мощные транзисторы СВЧ диапазона. Во всех других областях подавляющее большинство генераторов выполняется исключительно на транзисторах. Причин этому несколько. Во-первых, габариты. Во-вторых, потребляемая мощность. В-третьих, надежность. Вдобавок ко всему, транзисторы из-за особенностей своей структуры очень просто поддаются миниатюризации.

Главная » Салон » Генераторы сигнала пилообразной формы. Генераторы низких частот на микросхемах Схема нч генератора пилообразного напряжения