Функциональный генератор

Описываемый функциональный генератор, несмотря на простоту схемного решения, имеет достаточно разно­образные функциональные возможности и высокие мет­рологические характеристики. Диапазон генерируемых частот 0,4 Гц — 20 кГц разбит на четыре поддиапазона: 0,4 — 20 Гц, 4 — 200 Гц, 40 — 2000 Гц, 0,4 — 20 кГц. Выход­ное напряжение можно изменять ступенями (5, 50, 500, 5000 мВ), а внутри каждой ступени плавно. Коэффици­ент гармоник синусоидального сигнала не превышает 1,5%. Выходное напряжение во всем диапазоне рабочих частот изменяется не более чем на 1%. Время установ­ления выходного напряжения при изменении частоты практически равно нулю.

В функциональном генераторе для генерирования им­пульсов прямоугольной и треугольной формы использу­ется замкнутая релаксационная система, состоящая из интегратора и компаратора. Упрощенная схема функцио­нального генератора приведена на рис. 1, а эпюры на­пряжений, поясняющие работу релаксационного генера­тора, — на рис. 2.

На операционном усилителе ОУ1 построен интегра­тор. Скорость «арастания и знак напряжения на выходе интегратора зависят от напряжения на его входе. На основе операционного усилителя ОУ2 выполнен компа­ратор. Порог срабатывания данного компаратора зависит от соотношения сопротивлений резисторов R2 и R3.

Предположим, что в начальный момент напряжение «а выходе интегратора U_a равно нулю, а на выходе ком­паратора — отрицательное напряжение. Так как напря­жение U_в подано на инвертирующий вход интегратора, то напряжение на его выходе возрастает. В момент t₁ оно достигает верхнего порога срабатывания компаратора и он переходит в другое состояние. Напряжение на его вы­ходе изменяется на противоположное, соответственно и напряжение на выходе интегратора начинает уменьшать­ся. В момент tz оно достигает нижнего порога срабаты­вания компаратора и цикл повторяется. Частоту генери­руемых колебаний можно найти по формуле:

f=U_в/ 4U_а.maxC1R1,

где U_B — выходное напряжение компаратора,

Uаmах — амплитуда выходного напряжения интегра­тора.

Рис. 1. Упрощенная схе­ма функционального ге­нератора

Для преобразования треугольного напряжения в си­нусоидальное используются функциональные преобразо­ватели. При этом используются такие методы, как кусоч­но-линейная и кусочно-нелинейная аппроксимация. При использовании кусочно-линейной аппроксимации сину­соидальная форма кривой формируемых колебаний заменяется кусочно-линейной функцией, число и протя­женность которой зависят от необходимой точности при­ближения. Для этой цели наиболее часто используют функциональные преобразователи с диодно-резистивны-ми цепями и транзисторами. К недостаткам подобного рода преобразователей следует отнести: сложность схем­ного решения, большое число деталей, сложность регу­лировки.

В последнее время появились функциональные преоб­разователи треугольного напряжения в синусоидальное, основанные на использовании нелинейных вольт-ампер­ных характеристик полевых транзисторов. При фиксиро­ванном напряжении на затворе зависимость тока стока от напряжения на стоке на участке между нулем и точ­кой насыщения (равной напряжению отсечки) имеет форму четверти синусоиды. Поэтому приложенное меж­ду стоком и истоком напряжение треугольной формы, имеющее соответствующую амплитуду U_т, будет давать ток стока, изменяющийся примерно по синусоидальному закону (рис. 3).

Чтобы получить сигнал синусоидальной формы обеих полярностей, используется свойство симметричности по­левого транзистора по отношению к истоку и стоку: дио­ды и резисторы R₃ переключают сигнал от истока к стоку и наоборот, когда выходное напряжение треугольной формы меняет знак при переходе через нуль каждые полпериода (рис. 4). Для получения минимума нелиней­ных искажений следует сопротивление резисторов R1 и R2, образующих цепь отрицательной обратной связи, уменьшающей нелинейные искажения, выбирать равным сопротивлению канала полевого транзистора при нуле­вом смещении на затворе. Амплитуда входного тре­угольного сигнала должна быть примерно равной 1,33 U_нас. При выполнении этих условий можно получить синусоидальный сигнал с коэффициентом нелинейных искажений менее 1%.

Рис. 2. Эпюры на­пряжения в раз­личных точках функционального генератора

Рис. 3.  Вольт-амперная характеристика функционального преобразователя

Рис. 4. Принципиальная схема функционального преобразова­теля на полевом транзисторе

Рис. 5. Принципиальная схема функционального генератора

Полная принципиальная схема функционального ге­нератора приведена на рис. 5. На микросхеме МС1 вы­полнен интегратор, на МС2 — компаратор. Переменным резистором R1 перестраивают генератор в выбранном частотном диапазоне. Нужный поддиапазон выбирают переключателем BL Для преобразования треугольного напряжения, снимаемого с выхода интегратора МС1, в синусоидальное используется полевой транзистор Т1. Так как нелинейные искажения синусоидального сигнала за­висят от входного треугольного сигнала, то для установ­ки необходимой амплитуды треугольного напряжения ис­пользуют подстроечный резистор R11.

Для получения амплитуды сигнала на выходе гене­ратора, равной 5 В, используют микросхему МСЗ, вклю­ченную по схеме масштабного усилителя. Переменным резистором R23 плавно регулируют амплитуду сигнала на выходе генератора. Переключателем В2 выбирают нужную форму сигнала (треугольную, прямоугольную или синусоидальную) на выходе генератора.

Правильно собранный генератор сразу начинает вы­рабатывать сигналы. Но для получения характеристик, указанных в начале статьи, необходимо сделать соответ­ствующие регулировки в следующей последовательнос­ти. Движок переменных резисторов Rl, R23 устанавли­вают в среднее положение, а подстроечного резистора R30 — в верхнее по схеме положение. Переключатели В1 — ВЗ устанавливают в положения, показанные на рис. 5. К гнезду «Выход» подключают осциллограф. Включают питание. На экране осциллографа должно по­явиться изображение импульсов треугольной формы. При вращении движка переменного резистора R1 должна плавно изменяться частота импульсов.

Затем устанавливают переключатель В2 в нижнее по схеме положение и подстроечным резистором R11 доби­ваются минимальных искажений синусоидального сигна­ла. После этого движок резистора R1 переводят в ниж­нее по схеме положение и подбором резистора R2 уста­навливают нижнюю границу рабочего диапазона (0,4 Гц). В верхнем положении движка резистора R1 резистором R4 устанавливают верхнюю границу первого поддиапазона (20 Гц). Затем проверяют перекрытие на остальных поддиапазонах. На высших частотах четверто­го поддиапазона форма колебаний может отличаться от треугольной из-за невысокой полосы пропускания опе­рационного усилителя MCL Это можно устранить подбо­ром конденсатора С9. Переведя движок переменного ре­зистора R23 в верхнее по схеме положение, подстроеч­ным резистором R30 устанавливают амплитуду синусои­дального сигнала на выходе микросхемы МСЗ, равной 5 В. Подбором резистора R18 (переключатель В2 в сред­нем положении) устанавливают амплитуду треугольного сигнала на выходе микросхемы МСЗ, также равной 5 В. Подобную операцию (но только подбором резистора R17) производят и при прямоугольном сигнале, устано­вив переключатель в верхнее по схеме положение.

Заканчивают налаживание генератора проверкой ра-боты выходного аттенюатора.

В заключение следует добавить, что функциональные возможности описанного генератора не ограничиваются получением трех видов сигнала. Подключив вместо ре­зистора R3 оптрон и подавая на выводы светодиода пилообразное напряжение (изменяя тем самым сопро­тивление фоторезистора), получим генератор качающейся частоты, с помощью которого можно настраивать разно­образные радиоэлектронные устройства.