Что такое аналоговый генератор

Аналоговый функциональный генератор

Я хотел создать функциональный генератор, генерирующий аудио сигналы для тестирования эффектов / усилителей; а также TTL сигналов синхронизации для цифровых схем. Поскольку обычно новые функциональные генераторы стоят около £20, я решил, что смогу сделать такой генератор самостоятельно.

Для данного проекта я использовал интегральную схему XR-2206 для генерирования колебательного сигнала. Интегральная схема может создавать сигнал в виде синусоидальных и треугольных импульсов с заданной амплитудой и частотой, а также TTL сигнал синхронизации при напряжении 5 В. Частотный диапазон колеблется от 20 Гц до 300 кГц – поэтому данный функциональный генератор будет охватывать весь слышимый человеком диапазон частот.

Интегральная схема имеет входы для контроля частот всех сигналов, а также амплитуды синусоидального / треугольного сигнала.

Шаг 1: Список компонентов

Основные компоненты для функционального генератора

• (2x) 1мкФ электролитические конденсаторы
• (1x) 10мкФ электролитический конденсатор
• (1x) 100нФ керамический / полиэфирный конденсатор
• (1x) 10нФ керамический / полиэфирный конденсатор
• (1x) 1нФ керамический / полиэфирный конденсатор
• (1x) 10Ом резистор
• (2x) 1КОм резисторы
• (1x) 3 КОм резистор
• (2x) 5 КОм резисторы
• (1x) 10 КОм резистор
• (1x) 30 КОм резистор
• (2x) 10 КОм потенциометры, устанавливаемые на панели
• (1x) 100 КОм потенциометр, устанавливаемый на панели
• (2x) 25 КОм подстрочные резисторы
• (1x) 4 поворотный переключатель положения
• (1x) однополюсный перекидной выключатель
• (5x) 4мм гнезда типа «банан»
• (1x) 16 штыревое DIL гнездо
• (1x) ИС XR2206 — функциональный генератор
• Корпус устройства
• Макетная плата
• Провода с многожильным проводником

Дополнительные компоненты для опционального источника питания

• (1x) 15В AC трансформатор
• (1x) IEC ввод электропитания
• (1x) двухполюсный выключатель
• (1x) 1A предохранитель и держатель
• (1x) 1A мостовой выпрямитель или (4x) диоды 1N4001
• (1x) 2200мкФ электролитический конденсатор
• (1x) 10мкФ электролитический конденсатор
• (1x) 100нФ полиэфирный конденсатор
• (1x) 220Ом резистор
• (1x) 5мм светодиод с держателем
• (1x) ИС 7812 — стабилизатор напряжения
• Гибкая проволока для подключения электропитания

Шаг 2: Электрическая схема

Для данного проекта используется многофункциональная генераторная ИС – это обеспечило простоту конструкцию, а также малое количество компонентов. Я фактически использовал две микросхемы, которые соответствовали спецификации — Exar XR2206 и Maxim MAX038. В заключении я решил использовать XR2206 – эту микросхему легче и дешевле приобрести.

Частота регулируется двумя потенциометрами – один для грубой настройки и другой для точной. Важно, чтобы для этой цели вы использовали потенциометры хорошего качества, в противном случае будет очень трудно установить точную частоту, и она будет колебаться. С другой стороны вы может заменить два переменных резистора 10-оборотным потенциометром величиной 100 Ком для большей точности.

Я не использовал печатную плату для данного проекта, поскольку спаивал по мере возможности, однако вы можете увидеть, что различные компоненты располагаются в разных частях платы. Фильтр питания и делитель напряжения для контроля амплитуды располагаются слева, конденсаторы для частотного диапазона располагаются в нижней центральной части. Разделив монтажную схему на несколько подсекций легче разрабатывать конструкцию печатной платы.

Данная схема разработана для работы от однополярного источника электропитания напряжением 12 В DC. Подходящий источник питания показан на следующем шаге.

Шаг 3: Источник питания

**Данная часть схемы включает работу с высоковольтным источником переменного тока. Если вы сомневаетесь касательно работы с потенциально-смертельным уровнем напряжения, ПРОПУСТИТЕ ДАННУЮ ЧАСТЬ ПРОЕКТА. Вместо этого вы можете использовать AC адаптер питания. Я не несу ответственность за повреждения или травмы, которые могут возникнуть при работе с данным проектом.**

Я решил использовать внутренний источник электропитания для функционального генератора, чтобы не искать модули AC питания. Это означает, что мне не нужно каждый раз повторно калибровать функциональный генератор при запуске от другого напряжения питания, поскольку трансформатор внутри корпуса будет всегда выдавать на выходе одно и то же напряжение.

Убедитесь в том, что предохранитель 1А разрывает токоведущий проводник электропитания. При использовании металлического корпуса убедитесь, что он подсоединен к заземляющему проводнику электропитания. Я разместил все цепи электропитания на своей собственной плате вдали от основной схемы электропитания, с целью облегчения конструкции и снижения интерференции. Убедитесь, что все токоведущие проводники подключены со стороны первичной обмотки трансформатора.

Шаг 4: Корпус

Я разместил все электронные компоненты в пластиковый приборный корпус. Я использовал корпус, показанный на веб-сайте http://www.evatron.com, хотя существует множество аналогичных вариантов. Я использовал маркер для нанесения меток на коннекторы и элементы управления.

Шаг 5: Калибровка

Для калибровки функционального генератора необходимо наличие осциллографа.

Очень важно правильно провести калибровку схемы, чтобы получить на выходе чистый колебательный сигнал. Начните с выбора синусоидального сигнала, выключив переключатель синусоидального / треугольного сигнала. Установите частотный диапазон на второй диапазон, и амплитуду на максимум.

Подсоедините щуп осциллографа на выход синусоидального / треугольного сигнала и установите ваш осциллограф на связь по переменному току – колебательный сигнал имеет DC смещение, другими словами вы не увидите полную волну на экране.

Установите подстрочный резистор в среднее положение и отрегулируйте смещение построечного резистора, пока синусоидальный сигнал на осциллографе не будет четко отображаться. С помощью устройства для контроля искажения продолжите регулировку симметрии для дальнейшего снижения искажения. Вы должны получить чистый синусоидальный сигнал, аналогичный показанному на диаграмме.

Сигнал в виде треугольных импульсов имеет большую амплитуду, чем синусоидальный сигнал, поэтому он будет обрезаться при полной амплитуде, в то время как синусоидальный сигнал не будет. Это, к сожалению, является внутренним дефектом схемы, однако не является большим недостатком, поскольку вы можете вручную установить амплитуду. Прямоугольный сигнал фиксируется при напряжении 5 В и не нуждается в регулировке.

Шаг 6: Модификации и обновления

Существует возможность вносить множество изменений в данный проект для его адаптации в соответствие с вашими особыми требованиями. Также можно увеличить максимальный частотный диапазон, добавив 5-ое положение на поворотный переключатель и подсоединив емкость 100 пФ, аналогично другим подключаемым компонентам. Это поднимет макс. частоту до величины 3 МГц (при данном значении действительно только использовать сигнал прямоугольной формы).

Вы можете использовать также поворотный переключатель для выбора формы сигнала, однако для его получения потребуется грамотное подключение, а также замена переключателя синусоидальный/треугольный сигнал.

Я надеюсь, вы найдете данный проект полезным – он оказался очень кстати при тестировании аудио схем.

Что такое аналоговый генератор

Простой аналоговый функциональный генератор (0,1 Гц — 8 МГц)

Автор: SSMix
Опубликовано 10.09.2012
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2012!»

Лет 10-15 назад у радиолюбителей заслуженной популярностью пользовалась микросхема MAX038, на основе которой можно было собрать несложный функциональный генератор, перекрывающий полосу частот 0,1 Гц – 20 МГц. Правда цена микросхемы сильно кусалась, а в последнее время достать MAX038 стало практически невозможно. Такая вот странная политика у производителя. Появившиеся клоны MAX038 имеют по сравнению с ней весьма скромные параметры. Так, у ICL8038 максимальная рабочая частота составляет 300 кГц, а у XR2206 – 1 МГц. Встречающиеся в радиолюбительской литературе схемы простых аналоговых функциональных генераторов также имеют максимальную частоту в несколько десятков, и очень редко, сотен кГц.

Поэтому в своё время автором для настройки разнообразных схем был разработан и изготовлен аналоговый функциональный генератор, формирующий сигналы синусоидальной, прямоугольной, треугольной формы и работающий в диапазоне частот от 0,1 Гц до 8 МГц.

Генератор имеет следующие параметры:

амплитуда выходных сигналов:

напряжение питание………………………….220 В, 50 Гц.

За основу разработанной схемы функционального генератора, приведенной ниже, была взята схема из [1]:

Генератор выполнен по классической схеме: интегратор + компаратор, только собран на высокочастотных компонентах.

Интегратор собран на ОУ DA1 AD8038AR, имеющем полосу пропускания 350 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 425 В/мкс. На DD1.1, DD1.2 выполнен компаратор. Прямоугольные импульсы с выхода компаратора (выв. 6 DD1.2) поступают на инвертирующий вход интегратора. На VT1 выполнен эмиттерный повторитель, с которого снимаются импульсы треугольной формы, управляющие компаратором. Переключателем SA1 выбирают требуемый диапазон частот, потенциометр R1 служит для плавной регулировки частоты. Подстроечным резистором R15 устанавливается режим работы генератора и регулируется амплитуда треугольного напряжения. Подстроечным резистором R17 регулируется постоянная составляющая треугольного напряжения. С эмиттера VT1 напряжение треугольной формы поступает на переключатель SA2 и на формирователь синусоидального напряжения, выполненный на VT2, VD1, VD2. Подстроечным резистором R6 выставляются минимальные искажения синусоиды, а подстроечным резистором R12 регулируется симметрия синусоидального напряжения. С целью уменьшения коэффициента гармоник верхушки треугольного сигнала ограничиваются цепями VD3, R9, C14, C16 и VD4, R10, C15, C17. С буфера DD1.4 снимаются импульсы прямоугольной формы. Сигнал, выбранный переключателем SA2, подаётся на потенциометр R19 (амплитуда), а с него — на выходной усилитель DA5, выполненный на AD8038AR. На элементах R24, R25, SA3 выполнен выходной аттенюатор напряжения 1:1 / 1:10.

Для питания генератора использован классический трансформаторный источник с линейными стабилизаторами, формирующими напряжения +5В, ±6В и ±3 В.

Для индикации частоты генератора была использована часть схемы от уже готового частотомера, взятая из [2]:

На транзисторе VT3 выполнен усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, с выхода которого сигнал поступает на вход микроконтроллера DD2 PIC16F84A. МК тактируется от кварцевого резонатора ZQ1 на 4 МГц. Кнопкой SB1 выбирается по кольцу цена младшего разряда 10, 1 или 0.1 Гц и соответствующее время измерения 0.1, 1 и 10 сек. В качестве индикатора использован WH1602D-TMI-CT с белыми символами на синем фоне. Правда угол обзора у этого индикатора оказался 6:00, что не соответствовало его установке в корпус с углом обзора 12:00. Но эта неприятность была устранена, как будет описано ниже. Резистор R31 задаёт ток подсветки, а резистором R28 регулируется оптимальная контрастность. Следует отметить, что программа для МК была написана автором [2] для индикаторов типа DV-16210, DV-16230, DV-16236, DV-16244, DV-16252 фирмы DataVision, у которых процедура начальной инициализации по-видимому не подходит к индикаторам WH1602 фирмы WinStar. В результате после сборки частотомера на индикатор ничего не выводилось. Других малогабаритных индикаторов в продаже на тот момент не было, поэтому пришлось вносить изменения в исходник программы частотомера. Попутно в ходе экспериментов была выявлена такая комбинация в процедуре инициализации, при которой двухстрочный дисплей с углом обзора 6:00 становился однострочным, причём достаточно комфортно читаемым при угле обзора 12:00. Выводимые в нижней строке надписи-подсказки о режиме работы частотомера стали не видны, но они особо и не нужны, т.к. дополнительные функции этого частотомера не использованы.

Конструктивно функциональный генератор выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 110х133 мм, разработанной под стандартный пластиковый корпус Z4. Индикатор установлен на палате вертикально на двух уголках. С основной платой он соединён при помощи шлейфа с разъёмом под IDC-16. Для соединения высокочастотных цепей в схеме использован тонкий экранированный кабель. Вот фото генератора со снятой верхней крышкой корпуса:

Перечень элементов и чертёж платы в Layout5 прилагаются.

После первого включения генератора необходимо проконтролировать питающие напряжения, а также установить подстроечным резистором R29 напряжение -3В на выходе DA7 LM337L. Резистором R28 устанавливается оптимальная контрастность индикатора. Для настройки генератора необходимо подключить осциллограф к его выходу, переключатель SA3 установить в положение 1:1, SA2 — в положение, соответствующее напряжению треугольной формы, SA1 – в положение 100…1000 Гц. Резистором R15 добиваются устойчивой генерации сигнала. Переместив движок резистора R1 в нижнее по схеме положение, подстроечным резистором R17 добиваются симметричности треугольного сигнала относительно нуля. Далее переключатель SA2 необходимо перевести в положение, соответствующее синусоидальной форме выходного сигнала, и подстроечными резисторами R12 и R6 добиться соответственно симметричности и минимальных искажений синусоиды.

Вот что получилось в итоге:

Треугольник 1 Мгц:

Треугольник 4 Мгц:

Следует отметить, что на частотах свыше 4 Мгц на треугольном и прямоугольном сигналах начинают наблюдаться искажения, связанные с недостаточной полосой пропускания выходного усилителя. При желании этот недостаток можно легко устранить, если перенести усилитель выходного каскада DA5 в цепь от истока VT2 к SA2, т.е. использовать его как усилитель синусоидального сигнала, а вместо выходного усилителя применить повторитель на ещё одном ОУ AD8038AR, пересчитав соответственно сопротивления делителей треугольного (R18, R36) и прямоугольного (R21, R35) сигналов на меньший коэффициент деления.

1) Широкодиапазонный функциональный генератор. А.Ишутинов. Радио №1/1987г.

2) Экономичный многофункциональный частотомер. А.Шарыпов. Радио №10-2002.

Разработка более сложных цифровых устройств

Разработка генератора аналоговых сигналов

Цифровые генераторы (или, как их еще называют, синтезаторы) аналоговых сигналов произвольной формы часто используются при отладке различных аналоговых и аналого-цифровых устройств и систем. Они позволяют не только получить сигналы разных стандартных и нестандартных форм, но и обеспечить высокую точность задания амплитуды и частоты сигнала, не достижимые в случае обычных аналоговых генераторов. Цифровые генераторы работают обычно под управлением компьютеров или контроллеров, что обуславливает большие удобства пользователя и широкие возможности по заданию разнообразных форм сигналов и по их хранению.

Мы будем разрабатывать довольно простой генератор , рассчитанный на звуковой диапазон частот выходного сигнала 20 Гц . 20 кГц (период от 50 мкс до 50 мс). Генератор должен формировать сигналы произвольной формы с амплитудой, задаваемой управляющим кодом . Генератор должен работать в режиме автоматической (периодической) генерации, а также в режиме разовой генерации с остановкой генерации после окончания одного периода выходного сигнала. Управление работой генератора должно быть полностью цифровым.

Отметим, что в реальности сигналы сложной формы, как правило, бывают низкочастотными. Они встречаются, например, при виброиспытаниях, в медицинской технике, в сейсмической технике и т.д. Высокочастотные сигналы обычно имеют довольно простую форму, например, синусоидальную. Поэтому наш простой генератор , рассчитанный на невысокие частоты, будет, тем не менее, удовлетворять требованиям довольно широкого спектра применений.

Разработку генератора мы начнем «с конца», то есть с того выходного сигнала, который он должен формировать.

Как уже отмечалось в «Применение ЦАП и АЦП» , выходной сигнал ЦАП UЦАП представляет собой ступенчатую функцию, которую можно представить в виде суммы идеального («гладкого») аналогового сигнала U_ВЫХ и пилообразного сигнала помехи U_ПОМ (рис. 15.9).

Сигнал помехи U_ПОМ имеет основную частоту, равную частоте поступления входных кодов на ЦАП . Для сглаживания ступенек выходного сигнала ЦАП и приближения его к идеальному сигналу U_ВЫХ можно применить простой аналоговый фильтр низкой частоты (ФНЧ), который должен существенно ослаблять сигнал помехи , но не ослаблять полезный выходной сигнал генератора. В примере на рис. 15.9 частота полезного сигнала в 16 раз меньше частоты сигнала помехи , поэтому задача фильтрации не слишком сложна. Однако от генератора сигналов произвольной формы может понадобиться синтез выходных сигналов с крутыми фронтами (например, прямоугольных или пилообразных сигналов). В этом случае применение такого выходного фильтра низкой частоты может исказить выходные сигналы, затянув их фронты. Поэтому целесообразно предусмотреть два выхода генератора: один с низкочастотной фильтрацией, а другой без нее.

Помимо фильтра низкой частоты, выходной узел генератора сигналов должен содержать схему задания амплитуды выходного сигнала. В случае использования оперативной памяти для хранения кодов выборок выходного сигнала, схема задания амплитуды может и отсутствовать. При этом в память необходимо заносить коды выборок сигнала с нужной амплитудой. Однако такой подход не слишком удобен, так как он требует пересчета всех кодов выборок для каждой новой амплитуды сигнала выбранной формы. Гораздо удобнее сделать так, чтобы в памяти всегда хранились коды выборок сигнала с максимально возможной амплитудой, а выходной сигнал с ЦАП ослаблялся управляемым аттенюатором в нужное количество раз.

В результате схема выходного узла генератора аналоговых сигналов будет включать в себя еще и управляемый аттенюатор, рассмотренный в разделе 7.1 (рис. 15.10).

Аналоговый фильтр нижней частоты должен иметь коэффициент передачи в полосе пропускания, равный единице и частоту среза, обеспечивающую эффективное подавление сигнала помехи . Тип схемы фильтра и его порядок не слишком важны. Для удобства пользователя целесообразно сделать фильтр неинвертирующим, чтобы выходные сигналы на обоих выходах генератора ( U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 ) были одной полярности. Аттенюатор управляется 8-разрядным кодом амплитуды, что обеспечивает коэффициент деления сигнала от 1/256 до 1. Если амплитуда исходного сигнала U_ЦАП равна 10 В, то амплитуда выходного сигнала ( U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 ) может быть задана с точностью около 40 мВ. Увеличение разрядности кода амплитуды потребовало бы принятия специальных мер, так как слишком малые аналоговые сигналы сильно искажаются шумами и помехами по цепям питания. ЦАП необходимо применять умножающий с биполярным выходом, чтобы обрабатывать как положительные, так и отрицательные выходные сигналы.

Теперь переходим к проектированию собственно цифровой части генератора.

Как уже отмечалось ранее, основной узел генератора должен представлять собой буферную оперативную память с периодическим режимом работы. Причем буфер этот должен быть однонаправленным. Перед началом работы в буфер заносится массив кодов выборок синтезируемого сигнала, а во время работы генератора адреса памяти опрашиваются в нужном темпе, и выходные коды памяти подаются на ЦАП , формирующий аналоговый сигнал U_ЦАП . Проблема состоит в выборе нужного объема памяти и в способе перебора адресов для обеспечения нужной частоты выходного сигнала. Память может также быть постоянной ( ПЗУ ), если необходимо формировать одну или несколько постоянных форм сигналов. В этом случае операция записи в память исключается, но проблема выбора способа перебора адресов памяти остается.

Существует два основных способа перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Первый, простейший способ предусматривает перебор адресов памяти генератора с помощью обычного двоичного счетчика . В данном случае, опрашиваются все адреса памяти подряд. Изменение частоты аналогового выходного сигнала генератора производится с помощью изменения тактовой частоты этого счетчика, для чего используется тот или иной управляемый делитель частоты опорного кварцевого генератора (рис. 15.11). Частота выходного сигнала будет определяться при таком решении по формуле f_вых = f_Г/(N2 n ) , где f_Г — частота задающего кварцевого генератора, N — управляющий код делителя частоты, n — разрядность счетчика ( разрядность шины адреса памяти).

Главное достоинство данного подхода состоит в том, что при изменении частоты выходного сигнала не меняется точность воспроизведения формы выходного сигнала. Ведь точность воспроизведения формы аналогового сигнала зависит в первую очередь от количества выборок, приходящихся на период выходного сигнала, а здесь оно постоянно и равно количеству адресов памяти. Например, если память имеет 1К адресов, то выходной сигнал при любой частоте будет задаваться с помощью 1024 точек, и он всегда будет иметь 1024 ступеньки.

Однако данное решение имеет и серьезные недостатки. Основной его недостаток состоит в том, что частота сигнала помехи в данном случае прямо пропорциональна частоте выходного аналогового сигнала генератора (она больше частоты выходного сигнала во столько раз, сколько адресов имеет память ). Например, при 1К адресов памяти частота сигнала помехи в 1024 раз больше частоты выходного сигнала, и при изменении частоты выходного сигнала в 1000 раз также в 1000 раз будет изменяться частота сигнала помехи . Отфильтровать такую помеху переменной частоты чрезвычайно трудно, если не невозможно, так как требуется применение фильтра с частотой среза, изменяемой в очень широких пределах.

Другой существенный недостаток данного метода связан с высокими требованиями к быстродействию ЦАП . Например, если максимальная частота выходного аналогового сигнала генератора должна быть 20 кГц, а память имеет 1К адресов, то ЦАП должен успевать работать с частотой более 20 МГц, то есть иметь время установления менее 50 нс. При большей частоте выходного сигнала и при большем объеме памяти требования к быстродействию ЦАП будут еще выше. И с такой же скоростью должна работать буферная память , то есть требования к быстродействию памяти также велики.

Генераторы сигналов

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

• 1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
• 1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
• 1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

1. Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
2. Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
3. Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
4. Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
5. Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

Принцип действия таков:

1. Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
2. Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
3. Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.

Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

• мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;
• вычислительные приборы;
• инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;
• бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);
• измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);
• медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Для чего нужен генератор сигналов

Генераторы сигналов – это приборы, позволяющие получать электрические, акустические и т.д. импульсы. Устройство может быть различного типа, но, обычно, прибор выбирают под какую-то определённую цель. При выборе решающую роль может играть форма, статические функции и энергетические показатели прибора. Устройство используют в медицинской сфере, а также в быту.

Цифровые генераторы https://digamma.by/katalog/generatory-signalov/ весьма популярны, так как являются приборами высокой точности. Первый генератор появился в 1887 году, его создал немецкий физик по имени Герман Герц. Он работал на основе индукционной катушки, был искровым и производил электромагнитные волны. В 1913 году другой немецкий учёный по имени Александр Мейснер произвёл электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом. В 1915 году учёным Ральфом Хартли была разработана ламповая или индуктивная система. А в 1919 году американский учёный Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, которое подключалось к колебательному контуру при помощи ёмкостного разделителя напряжения. Позже учёными многих стран было произведено большое количество других вариантов электронных генераторов.

Виды генераторов сигналов

Приборы можно различить по форме сигнала. Они бывают синусоидальные, прямоугольные и в виде пилы. Помимо этого, они различаются по частоте. Бывают низкочастотные, либо высокочастотные. Устройства классифицируются также по принципу возбуждения, и делятся на независимые и самовозбуждение.

Генераторы синусоидального импульса, преимущественно, применяют во время проверки блоков питания, инверторов, а также других типов высокочастотной техники, в том числе, и радиоаппаратуры.

В низкочастотных генераторах присутствуют переменные резисторы. Они нужны для корректирования формы и частоты сигнала. Данный низкочастотный прибор подходит для настройки аудиоаппаратуры. Это может быть звуковой усилитель, проигрыватель и т.д. Ярким примером низкочастотного генератора является примитивный компьютер. Необходимо скачать драйверы, а затем подключить его к аппаратуре посредством переходника.

Стандартная система генератора звуковой частоты с микросхемами внутри. Напряжение подаётся в селектор, а сигнал генерируется в микросхеме, либо в нескольких микросхемах. Частота, при этом, настраивается с помощью модуляционного регулятора. Устройство отличается достаточно обширным диапазоном частоты, в отличие от аналогов.

Самыми точными приборами принято считать генераторы с импульсами произвольной конструкции. Прибор способен вырабатывать частоту от 70 Гц. Устройство подразделяют по степени синхронизации. Она зависит от вида коннектора, установленного в приспособление. Поэтому сигнал может быть усилен за 20-35 ньютон-секунд. Определённые виды генераторов работают в линейном и логарифмическом режимах одновременно. Режим можно поменять с помощью переключателя.

Контроллеры сложных сигналов получают импульсы сложной формы, поэтому в сборке имеются только многоканальные селекторы. Сигналы периодически усиливаются, а режим можно поменять с помощью регулятора. Примером такого прибора можно считать DDS (устройство по принципу прямого цифрового синтеза). Базовая плата оборудована микроконтроллерами, которые легко снимаются и устанавливаются на место. В некоторых типах генераторов такого рода микроконтроллер заменяется одним движением. В случае монтированного редактора, установить ограничители невозможно.

Чтобы пользоваться устройством, особых усилий прилагать не придётся, но важно заметить, что главное, тщательно и правильно его настроить. Принцип действия генератора сигнала основан на ускорении образования сигналов и воспроизведении их с максимальной точностью.

Практическое применение генераторов сигнала

Эти устройства используют в современных лабораториях разработчики электронных и измерительных приборов. Одни и те же генераторы могут быть применены в кабинетах от начального до продвинутого уровня. Генераторы используются в мобильном телефоне, технике для передачи данных, в радиоприёмниках, телеприёмниках, вычислительных машинах, инверторах, бытовых приборах, измерительных устройствах, медицинской аппаратуре. Находчивые обыватели нашли применение для иных целей. К примеру, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а для регулировки аэронавигационных систем использовали RStamp SMA100A.

Виды цифровых генераторов

Синусоидальный сигнал есть, по сути, решение уравнения Y= Sin(X), при линейно изменяющемся значении аргумента X. Для получения цифрового сигнала из микроконтроллера нам необходимо подать значения функции на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Это значит, что для получения синусоидального сигнала, нам необходимо знать значения функции Y при каждом значении аргумента X (по сути X определяет значение фазы сигнала). Можно вычислять все значения функции прямо в микроконтроллере, но для обеспечения высокой точности вычисляемых значений необходим высокопроизводительный процессор, или модуль для работы с плавающей точкой. Вычисление значений в микроконтроллере может занять продолжительное время, поэтому для обеспечения быстроты вычисления берут готовые значения функции и загружают их в память. Для обеспечения плавности выходного сигнала, для уменьшения погрешности связанной с нелинейностью характеристики цифроаналогового преобразователя, необходимо как можно большее количество значений синуса. Таким образом, в памяти будут готовые отсчеты синуса. Для того чтобы эти отсчеты превратились в синус, их нужно каким-то образом растянуть по времени, чтобы каждый отсчет подавался на ЦАП через определенный промежуток времени после предыдущего. Для этого необходим генератор опорной частоты. Такой генератор будет выдавать импульсы постоянной скважности. Эти импульсы, в простейшем случае, поступают на счетчик, а счетчик в свою очередь выдает на выходе последовательность возрастающих кодов. Код на выходе счетчика будет указывать на адрес очередного отсчета в памяти (ПЗУ). ПЗУ соответственно кодам выдает на своем выходе значения функции, содержащиеся в памяти по этим адресам, которые передаются в ЦАП и на выходе ЦАПа будет синус с идеальной частотой. Частота синуса будет соответствовать частоте тактового генератора. Для обеспечения перестройки по частоте нужно каким-либо образом регулировать частоту опорного генератора. В простейшем случае между счетчиком и генератором ставят делитель частоты. Такой делитель позволяет перестаивать частоту в определенных пределах. Предел перестройки зависит от разрядности сумматора и частоты опорного генератора. Перестройка в таком случае будет возможна только на определенные значения, так как деление возможно только на числа, кратные 2.

Простейшая схема такого генератора показана на рисунке 1. В его состав входит генератор опорной частоты (G). Делитель, в который загружается код частоты (коэффициент деления), счетчик (СТ), ПЗУ, ЦАП и фильтр. Фильтр в данном случае необходим для того, чтобы сглаживать цифровой сигнал на выходе. ЦАП – цифровое устройство, которое выдает только определенный уровень сигнала. Чем меньше частота дискретизации, тем более ярко выражена ступенчатая характеристика выходного сигнала. Для того чтобы убрать погрешность, вносимую частотой дискретизации, на выходе применяется фильтр сигналов. В простейшем случае, это простая RC-цепочка, но необходимо учитывать скоростные характеристики ЦАП, так как на высоких частотах может отфильтровываться полезный сигнал.

Здесь рассмотрена самая простая схема DDS. Многие элементы в ней можно заменить и доработать. Например, если заменить счетчик на более сложное устройство, т.н. аккумулятор фазы, то у нас появятся больше возможностей, таких как перестройка по частоте без фазового сдвига или, например, возможность использовать четверть периода значений синуса, вместо полного периода, но в рамках данной статьи такие усложнения рассматриваться не будут.

Сейчас DDS выполняются как отдельные микросхемы. В такую микросхему достаточно загрузить параметры нужного сигнала и подключить генератор опорной частоты, а на выходе мы получим цифровую синусоиду, которую достаточно лишь отфильтровать с заданными параметрами. Такие генераторы позволяют получать частоту до 1.4 ГГц. У них в свою очередь есть один недостаток. Генераторы прямого цифрового синтеза чаще всего используются именно как генераторы частоты, поэтому амплитуда выходного сигнала не стабильна.

Другим способом генерации сигнала синусоидальной формы с помощью контроллера, является метод ШИМ + пассивный RC фильтр. ШИМ – широтно-импульсная модуляция. Она позволяет, регулируя скважность импульсов, получать нужную постоянную амплитуду сигнала. Чем шире импульс, тем выше выходное напряжение на фильтре. Напряжение можно менять в пределах от нуля до напряжения питания. Таким образом, если задать определенную программу для регулирования скважности импульсов, то на выходе можно получить сигнал любой формы, в том числе синусоидальный. В самом простом случае схема показана на рисунке 2.

Такой генератор является дешевым, и самое главное наиболее легко реализуемым способом преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью микроконтроллера. Он не требует специальных микросхем или каких-либо сложных схемотехнических решений. Единственное, что необходимо при создании такого генератора, это расчет выходного фильтра на заданную частоту среза, чтобы он не срезал полезный сигнал. Правда, достигнуть высоких метрологических характеристик на таком генераторе невозможно, так как трудно добиться низкого коэффициента гармонических искажений. Низкий уровень гармонических искажений можно достичь с помощью еще одного варианта генератора.

Третий вариант генератора основывается на схеме, которая называется «мост Вина». Суть этой схемы в том, что используется усилитель с двумя RC-цепочками в обратной связи. Одной последовательной и одно параллельной. Схема такого генератора представлена на рисунке 3.

Для данной схемы необходимо учесть то, что элементы в RC-цепочке должны быть строго одинаковыми. Иначе схема не будет стабильной. Для уменьшения этих эффектов применяют разные хитрости, например автоматическое управление усилением и другие хитрости. В простейшем случае автоматическое управление осуществляется каким-либо нелинейным элементом, например лампочкой. Но перестройка такого генератора по частоте затруднена. Нужно использовать переменные конденсаторы, что усложняет схему еще на порядок. Такой метод хорош, но в основном для генерации какой-либо определенной частоты, либо частоты с малым диапазоном регулировки.

Существуют разные варианты и модификации представленных выше схем. Кроме этих схем существуют аналоговые решения, которые не были здесь описаны из-за несоответствия тематике статьи. В заключении хочу сказать, что каждая схема должна выбираться и прорабатываться возможная ее реализация в зависимости от задачи, которую необходимо выполнить. Передо мной стоит задача создать прецизионный генератор синусоидального сигнала, который может одновременно выдавать высокостабильный синусоидальный сигнал и добавлять в сигнал гармоники более высокого порядка. Для выполнения этой задачи наилучшим выходом будет расчет значений функции синуса непосредственно в микроконтроллере с передачей значений на ЦАП. Такая реализация позволит мне учесть недостатки каждой схемы и проработать техническую реализацию, необходимую конкретно для моей задачи. Можно одновременно сделать стабильную амплитуду, убрать гармонические искажения, вносимые особенностью схемы и получить довольно стабильный генератор. И конечные погрешности будут зависеть только от того, какие элементы будут выбраны, и какая степень упрощения алгоритма взята. Таким образом, при неизменности основной структуры, можно получить гибкое решение определенного класса задач.

Если вас интересует какой-либо материал на схожую тему, или вообще что-то из сферы измерительных приборов и их проектирования, то я бы мог попробовать написать какой-либо материал, чтобы осветить ваш вопрос в более простом и понятном ключе