Что такое генератор синусоидальных сигналов - NEVINKA-INFO.RU

Что такое генератор синусоидальных сигналов

Принцип работы синусоидальных генераторов LC и RC, генератора Хартли, генератора Колпитца, Кварцевые генераторы, генераторы Пирса и Батлера.Несинусоидальные генераторы, принцип работы мультивибратора, блокинг- генератора.

Что такое генератор синусоидальных сигналов

Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний.

Генераторы синусоидальных колебаний.

T ремя основными типами электронных генераторов сигналов синусоидальной формы являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.
LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соедененных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. LC генераторы используют в основном, в диапазоне радиочастот. На низких(звуковых) частотах удобнее применять RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используются резистивно — емкостная цепь.

LC генераторы синусоидальных колебаний.

Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.

Генератор Хартли.

В генераторе Хартли, или как еще называют эту схему — индуктивной трехточке положительная обратная связь, необходимая для возникновения колебаний берется с отвода катушки индуктивности(L1 — L2) колебательного контура.

Генератор Колпитца.

В генераторе Колпитца (емкостной трехточке) положительная обратная связь снимается с средней точки составной емкости(C1 — C2) колебательного контура. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли и более часто используется. Когда требуется высокая стабильность, используют кварцевые генераторы.

Кварц — это материал, способный преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Если к кристаллу кварца приложить переменное напряжение, он начнет колебаться, в такт с его частотой. Каждый кристалл обладает собственной резонансной частотой, зависящей от его размеров и структуры. Чем ближе частота приложенного напряжения, к резонансной частоте, тем выше интенсивность колебаний. Для изготовления кварцевого резонатора на кристаллическую пластинку кварца наносят металлические электроды.

Схема кварцевого генератора Хартли с параллельной обратной связью.

Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, волновое сопротивлние(импенданс) кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром. Колебательный контур возвращается на частоту кварца.

Генератор Пирса.

Очень популярная схема, поскольку в ней не используются катушки индуктивности.

Верхний предел резонанса кварца составляет 25 МГц. Если необходим стабильный генератор на более высокой частоте используют схему Батлера. Колебательный контур настраивается на частоту кварца или на частоту одной из его нечетных гармоник (третьей или пятой).

RC генераторы синусоидальных колебаний.

RC генераторы используют для задания частоты резисивно — емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Частота генератора рассчитывается по формуле.

R в этой формуле — значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые). C — это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)

Генератор на основе моста Вина – двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.

Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше. Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 — примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.

Где C — номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления — R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно — 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний в больших пределах.

Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы различной емкости, в качестве С1, С2 и С3. Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности — для настройки различных усилительных каскадов.

Генераторы несинусоидальных колебаний.

Генераторы несинусоидальных колебаний применятся для создания периодических электрических сигналов произвольной формы – прямоугольной, пилообразной или треугольной формы.

Блокинг – генератор.

Пока конденсатор заряжен — транзистор закрыт. Но конденсатор постепенно разряжается через резистор и запирающее напряжение исчезает. Транзистор начинает приоткрываться — появляется ток в цепи обмотки трансформатора, соответственно на вторичной обмотке возникает напряжение способствуещее лавинообразному открыванию транзистора.
Транзистор переходит в режим насыщения — конденсатор заряжается через переход эмиттер – база, напряжение в вторичной обмотке падает до нуля. Транзистор запирается, после чего процесс повторяется снова и снова.

Очень часто, схему блокинг — генератора используют в различных устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный. Это — различные импульсные блоки питания, вариации которых встречаются в современной аппаратуре очень широко. Преобразователи постоянного тока в переменный, с повышением выходного напряжения — являются основой целого ряда устройств, разной степени полезности — от портативного мегаомметра, до карманного электрошокера.

Мультивибратор.

Мультивибратор — генератор импульсов формы близкой к прямоугольной. Его основу составляют два усилительных каскада связанных между собой так, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого. Получается, что они по очереди запирают друг друга. Частота зависит от емкости конденсаторов, и величины сопротивления резисторов, через которые осуществляется их разряд.

Мультивибратор можно легко собрать, используя широко распостраненные детали, на абсолютно любых биполярных транзисторах. Кроме основной частоты рассчитываемой по формуле:

мультивибратор вырабатывает большое количество дополнительных гармоник. Если применив высокочастотные транзисторы собрать мультивибратор с основной частотой в звуковой области(лучше около 1000 гц), то частоты высших гармоник оказываются в какой то степени, промодулированными на этой, основной частоте. Получается, что подобный генератор может использоваться как универсальный пробник, для проверки как радиочастотных усилительных трактов, так и каскадов усиления низкой(звуковой) частоты.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ

Всем доброго времени суток! В предыдущих двух статьях я рассказал о построении генераторов на основе ОУ (статья про мультивибраторы здесь, про генераторы треугольного напряжения здесь). Ещё одним видом сигнала, который используются в радиотехнике и электронике является синусоидальный сигнал.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для формирования синусоидального сигнала применяются различные схемы генераторов и формирователей, рассмотрение которых в данной статье не представляется возможным.

Как происходит формирование синусоидальных колебаний?

Любой генератор (не только синусоидальных колебаний) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из усилителя и селективной цепи (частотно-избирательная цепь). Причем селективная цепь включена в цепь ПОС (положительная обратная связь) усилителя, где могут быть включены дополнительные усилители.

Допустим, на вход селективной цепи поступает сигнал, состоящий из большого количества синусоидальных колебаний (гармоник). Проходя через селективную цепь, колебания ослабляются (происходит уменьшение амплитуды) в различной степени, а также происходит изменение фазы данных колебаний. В результате на вход усилителя с выхода селективной цепи поступают синусоидальные сигналы с различными уровнями амплитуды и фазовыми сдвигами, где происходит их усиление для компенсации ослабления селективной цепью.

Так как селективная цепь пропускает без изменения фазы только гармонику определённой частоты, то после усилителя на вход селективной цепи поступит та же гармоника с такой же амплитудой и фазой, которую пропускает селективная цепь, а остальные гармоники будут с изменёнными амплитудами и фазами сигнала. В результате сложения исходного сигнала и сигнала поступающего с выхода усилителя только у гармоники, на частоту которой настроена частотно-избирательная цепь, будет происходить значительное увеличение амплитуды.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что петлевое усиление схемы должно быть не меньше единицы (в идеальном случае равно 1), а полный фазовый сдвиг схемы равен нулю.

Схем генераторов синусоидальных или как их ещё называют гармонических колебаний, существует большое количество, рассмотреть которые в одной статье не представляется возможным. Поэтому ограничимся лишь некоторыми из них, которые построены на ОУ и RC-цепочках.

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина или просто генератор Вина является одним из самых распространённых RC-генераторов синусоидальных колебаний. Схема данного генератора показана на рисунке ниже


Схема генератора Вина на основе ОУ.

Генератор Вина состоит из ОУ DA1, который охвачен ООС (отрицательная обратная связь) посредством резисторов R1 и R2, а также ПОС (положительная обратная связь) с помощью частотно-избирательной цепи R3C1R4C2.

Частотно-избирательная цепь R3C1R4C2 называется мостом Вина, от названия которого и получил наименование генератор данного типа. Данный мост состоит из последовательно включённых дифференцирующей цепи R4C2 и интегрирующей цепи R3C1. Как известно для генерирования сигнала мост Вина должен обеспечить нулевой фазовый сдвиг сигнала. Это обеспечивается равенством постоянной времени интегрирующей цепи R3C1 и дифференцирующей цепи R4C2

Читайте также  Чем обработать ремень генератора чтобы не скрипел

Тогда частота, при которой будет сдвиг фаз равный нулю, определяется следующим выражением

При данном условии коэффициент передачи цепи ПОС будет равен 1/3. Поэтому для того чтобы компенсировать данное условие коэффициент передачи цепи ООС должен быть равен 3, то есть

Генератор с мостом Вина обеспечивает выходной синусоидальный сигнал с небольшими искажениями – порядка 0,05 %. Однако у данного типа генератора существует серьёзная проблема в том, что для получения качественного синусоидального сигнала необходимо обеспечить точные соотношения резисторов в цепи ООС R1 и R2, то есть обеспечить коэффициент передачи цепи равный трём (β = 1/3). Так если β 1/3 даже если и возникнут колебания их амплитуда будет постепенно уменьшаться и со временем станет равной нулю. Поэтому для стабилизации работы генератора Вина применяют различные автоматические системы стабилизации амплитуды.

Улучшение параметров генератора Вина

Как указывалось выше оптимальное значение коэффициента передачи ООС (β = 1/3) обеспечить практически невозможно, поэтому применяют системы автоматической стабилизации амплитуды. Данная система работает так чтобы воздействовать на коэффициент передачи схемы и при заданной частоте стабилизировать колебания при небольших искажениях.

В основе систем стабилизации амплитуды лежат свойство нелинейных элементов под действием напряжения изменять своё внутренне сопротивление. Одна из простейших схем стабилизации содержит два полупроводниковых диода включённых в цепь ООС


Схема генератора Вина на ОУ с простейшей системой автоматической стабилизации амплитуды.

В данной схеме последовательно с резистором обратной связи R2 включены два диода VD1VD2 по встречно-параллельной схеме, чем обеспечивается стабилизация амплитуды положительной и отрицательной полуволн синусоидального сигнала.

Как известно p-n-переход диода имеет динамическое сопротивление, имеющее обратную зависимость от протекающего через диод тока

где 26 (мВ) – температурный потенциал p-n-перехода,

IД (А) – мгновенное значение тока протекающего через диод.

Таким образом, коэффициент передачи цепи ООС будет определяться следующим выражением

При возрастании амплитуды выходного напряжения, ток, протекающий через диод, увеличивается, как следствие уменьшается динамическое сопротивление диода, и возрастает коэффициент передачи цепи ООС, тем самым уменьшая амплитуду выходного напряжения.

При реализации данной схемы величину резистора R2 следует брать несколько меньшей, чем в схеме без стабилизации амплитуды, чтобы β « Предыдущая статья

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%.

Читайте также  Форд фокус 2 как самому заменить ремень генератора

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.

Простые звуковые генераторы синуса на цифровых КМОП микросхемах,
а также функциональные генераторы НЧ сигналов синусоидальной, прямоугольной и
треугольной форм.

Генератор сигналов — вещь, немаловажная в радиолюбительском хозяйстве.
Конечно, при нашей всесторонней занятости и умении здраво оценивать ситуацию, оптимальными явились бы такие логические построения:
1. купить готовый DDS генератор у мастеровитых китайских хунвейбинов;
2. загрузить и пользовать программный продукт под названием — генератор сигналов на базе ПК.

Отличное умозаключение, но немного скучноватое. К тому же в некоторых случаях куда удобней пользоваться миниатюрным и почти ничего не потребляющим приборчиком на батарейке. Его можно систематически забывать выключить, ронять (желательно не в унитаз), шпынять и подвергать прочему физическому насилию. Всё равно работать будет как папа Карло, за себя и за всех отсутствующих!
Вот такой малопотребляющий и трудолюбивый персонаж легко можно соорудить на логических КМОП микросхемах.

Припадём к первоисточникам:

Выходы Q0-Q3 двоичного счетчика IC1 через логические элементы IC2 подключаются к общему проводу (0) или к питанию (+15 В) через резисторы суммирующего каскада IC3, номиналы которых подобраны соответствующим образом.
Для четырех выходов существует всего 16 комбинаций, так что один полупериод строится из 16 ступенек.
Изменение уровня на выходе Q4 меняет состояние на одном из двух входов каждого логического элемента «Исключающее ИЛИ».
При логической «1» на входе элемент служит инвертором, при «О» — повторителем. Поэтому половину периода формируется положительная полуволна синусоиды, а затем — отрицательная, и весь цикл снова повторяется.
Таким образом, полный период складывается из 32 шагов, и, следовательно, выходная частота составляет 1/32 часть частоты тактового сигнала.
Амплитуда выходного сигнала определяется резистором R5. Вместо ОР77 можно использовать какой-либо другой операционный усилитель с относительно большой скоростью нарастания выходного напряжения.

Перевод А. Бельского для журнала Радиолюбитель 10/2000.
От редакции. Микросхемы IC1 — IC3 можно заменить отечественными К561ИЕ16, К561ЛП2 и К544УД2.»

Измеренный коэффициент нелинейных искажений приведённого генератора — около 6% во всем диапазоне рабочих частот. Данные результаты получились с величинами резисторов: R1=10k, R2=25k, R3=51k, R4 — отсутствует. Для номиналов резисторов, указанных на схеме, коэффициент нелинейности превысил 8%.

Более высокими характеристиками обладает схема, опубликованная в журнале Radioelektronik Audio-HiFi-Video, 1997, №11, p. 42, 43 и перепечатанная в РАДИО № 10, 1998, с. 80.

Схема формирователя приведена на рис. 2. В нем используется регистр сдвига DD2 с суммированием сигналов с восьми его выводов на резистивной матрице.
На вход С микросхемы DD2 через инвертор на элементе DD1.1 подается тактовый сигнал формы меандр с частотой F. Использование обратной связи с выхода Q7 микросхемы DD2 на ее вход D через инвертор ВВ1.2 приводит к тому, что высокий уровень на всех выходах микросхемы DD2 сохраняется в течение прохождения восьми тактовых импульсов с учетом сдвига на каждом из выходов на один такт (рис. 3).


Рис.3

В течение действия 16 тактовых импульсов выходное напряжение изменяется от минимума до максимума (в течение первых восьми импульсов) и возвращается к исходному состоянию (в течение последующих восьми импульсов). Затем процесс повторяется.
Таким образом, на выходе устройства частота периодических колебаний будет в 16 раз меньше частоты поступающих тактовых импульсов.

Сигнал на выходе суммирующей матрицы ступенчатый. Весовая часть каждой «ступеньки» определяется сопротивлениями резисторов R2—R9, поэтому при регулировании устройства потребуется их подбор с тем, чтобы прирост/спад напряжения для каждой из «ступенек» был бы одинаков. Это позволит получить квазисинусоидальный сигнал с наименьшими искажениями.

Элементы R2—R9, R10, R12, кроме функции суммирующей матрицы, совместно с резистором R11 и конденсатором C3 выполняют роль фильтра нижних частот (ФНЧ), благодаря чему ступенчатое изменение напряжения на входе повторителя (микросхема DA1) приобретает форму подобия синусоидального.

Значения емкости конденсатора С3 для нескольких граничных частот ФНЧ приведены в таблице.

Граничная частота, (Гц) 10 10 2 10 3 10 4 10 5
Ёмкость конд. С3, (мкФ) 100 10 1,0 0,1 0,01

Примечание редакции. В конструкции генератора можно применить отечественные элементы: в качестве регистра сдвига — микросхему KP1561ПР1; элементов инверторов — KP1561ТЛ1; выходного повторителя — КР140УД7, скорректированной для работы с единичным усилением.

Для номиналов резисторов, указанных на схеме, коэффициент нелинейных искажений не превышает 1% во всем диапазоне генерируемых частот.
Как часто водится, в оригинальном заграничном источнике допущена пустяковая, но вредоносная опечатка, которая прямиком перекочевала и на страницы отечественного журнала: вместо «Ёмкость конд. С3, (мкФ)» в таблице следует читать «Ёмкость конд. С3, (нФ)».

Для малоответственных измерений (не требующих высокой линейности формы сигналов) можно воспользоваться простейшей схемой функционального генератора, построенного всего на одной цифровой КМОП микросхеме.

К таким генераторам относят устройства, вырабатывающие синхронно изменяющиеся во времени сигналы разной формы. Устройство вырабатывает сигналы прямоугольной формы, треугольной формы и синусоидальный сигнал.
В зависимости от емкости конденсатора С3 частоту генерируемых колебаний можно изменить в пределах от 35 до 3500 Гц.
Основу генератора составляет компаратор на элементах D1.1 и D1.2. С выхода компаратора сигнал поступает на интегратор (С3, R6, D1.3).
Элемент D1.4 используют как нелинейный усилитель. Регулируя уровень входного напряжения резистором R7 на входе элемента D1.4, добиваются получения на его выходе синусоидальных колебаний.
Потенциометр R1 служит для получения симметричных колебаний, частоту импульсов меняют резистором R6.

RC-генератор синусоидальных сигналов с регулировкой частоты одним потенциометром

Texas Instruments LM324

Михаил Шустов — г. Томск

Дано описание RC-генераторов синусоидальных сигналов с использованием сбалансированных симметричных резистивно-емкостных мостов и двух операционных усилителей, что позволяет регулировать частоту генерации одним потенциометром. Для обеспечения работы генераторов соотношение активных и реактивных сопротивлений плеч резистивно-емкостных мостов должно быть одинаково и иметь значение не менее 2.5.

Для получения периодических низкочастотных колебаний синусоидальной формы используют RC-генераторы нерегулируемой и регулируемой частоты. К генераторам первого вида относят автогенераторы с лестничной многозвенной фазосдвигающей RC-цепью (R- или С-параллель). Как несложно заметить, очевидным недостатком таких генераторов является невозможность регулирования частоты простыми средствами, что резко ограничивает область практического применения подобных генераторов.

В 1891 г. немецкий физик Макс Вин (Max Wien, 1866–1938) для измерения импедансов электрических цепей предложил пассивный четырёхполюсник на основе RC-фильтров верхних и нижних частот (мост Вина). 11 июля 1939 г. американец Уильям Реддингтон Хьюлетт (William Reddington Hewlett, 1913–2001) подал заявку на изобретение и 6 января 1942 г. получил патент США № 2268872 на «Перестраиваемый генератор звуковой частоты». Это был первый низкочастотный перестраиваемый генератор на RC-элементах [1].

Рисунок 1. Схемы RC-мостов, которые могут быть использованы в генераторах синусоидального
напряжения.

Теоретические обоснования и условия возбуждения незатухающих синусоидальных колебаний в RC-генераторах рассмотрены в работах [2–4].

Современные RC-генераторы с возможностью плавной перестройки частоты выполняют с использованием моста Вина (Вина – Робинсона), Рисунок 1а; одинарного или двойного Т-образных мостов, Рисунок 1б, а также с использованием квадратурных генераторов [2, 3], фазовращателей на операционных усилителях, функциональных генераторов [5–7]. Во всех этих случаях для регулировки частоты используют сдвоенный потенциометр.

Проблему создания RC-генератора синусоидальных сигналов с регулировкой частоты одним потенциометром удалось решить за счет использования сбалансированного симметричного резистивно-емкостного моста, Рисунок 1в, плечи которого состоят из последовательно включенных резисторов и конденсаторов, причем соотношение активных и реактивных сопротивлений плеч равно и должно иметь значение не менее 2.5.

Рисунок 2. RC-генератор синусоидального напряжения с использованием
сбалансированного симметричного резистивно-емкостного
моста.

Плечо моста низкого активно-реактивного сопротивления подключено к выходу первого операционного усилителя, Рисунки 2 и 3, а высокого – к выходу второго операционного усилителя. Диагональ моста емкостного плеча присоединена к инвертирующему входу первого усилителя, а резистивного плеча – к инвертирующему входу второго усилителя. Между входом и выходом первого операционного усилителя включен потенциометр, регулирующий частоту генерации. Инвертирующие входы усилителей соединены с общей шиной.

Рисунок 3. Вариант схемы RC-генератора синусоидального напряжения.

Генератор, Рисунок 2, выполнен на элементах DA1.1 и DA1.2 микросхемы LM324. При выполнении условия

генератор при регулировке потенциометра R1 вырабатывает сигнал синусоидальной формы частотой от 0.3 до 1 кГц. Частоту генерации можно определить из выражения:

Коэффициент нелинейных искажений зависит от точности балансировки моста и с ростом частоты меняется в пределах от 0.6 до 2.2%. Амплитуда выходных сигналов в тех же условиях снижается от 10.9 до 8.4 В.

На Рисунке 3 показана модифицированная схема генератора, отличающаяся наличием дополнительного конденсатора C1. Генератор работает в диапазоне частот от 1 до 4.8 кГц, причем коэффициент нелинейных искажений с ростом частоты меняется в пределах от 0.6 до 1.8%. Амплитуда выходных сигналов во всем диапазоне частот не изменяется и составляет 10.9 В.

В качестве RC-комплектующих генераторов следует использовать прецизионные элементы. Для генератора, Рисунок 3, для минимизации коэффициента нелинейных искажений конденсатор C1 получают путем параллельного включения двух-трех конденсаторов – постоянной и переменной (подстроечной) емкости. При разбалансе моста генераторы переходят либо в режим генерации релаксационных колебаний низкой частоты, либо амплитуда синусоидального сигнала быстро затухает во времени.

Генератор синусоидального сигнала – для новичков в радиоделе

В главе об обратной связи мы выяснили, что усилитель при определённых условиях можно превратить в генератор А во всех предыдущих главах мы часто использовали генератор для проведения виртуальных экспериментов Не пришло ли время включить паяльник

Можно, конечно, использовать одну из рассмотренных ранее схем для проведения практической работы Но я предлагаю рассмотреть для сборки другие схемы Мы не будем пока собирать сложные генераторы, настанет время, мы к ним вернёмся Для начала соберём простой генератор

Чем интересна эта схема Во-первых, в этой схеме почти всё нам знакомо Два каскада усилителей на транзисторах Первый каскад с общим эмиттером, второй с общим коллектором Делитель напряжения R3R4 первого каскада используется для стабилизации рабочей точки Каскады соединены конденсатором C4, чтобы исключить влияние (конденсатор не пропускает постоянный ток) постоянного тока от первого каскада на рабочую точку второго

Во-вторых, первый каскад охвачен параллельной обратной связью, сигнал снимается с коллектора и подаётся на базу транзистора Q1 Как мы выяснили, сигналы на входе и выходе одного каскада усиления находятся в противофазе, то есть, обратная связь будет отрицательной А при любой глубине обратной связи усилитель устойчив Почему не в этом случае

Обратная связь вводится не через резистор, который не влияет на фазу сигнала, а через несколько конденсаторов, при этом каждый следующий использует падение напряжения на резисторе, вызванное током через предыдущий А мы помним, что между током и напряжением на конденсаторе есть сдвиг фаз Рассмотрим фазочастотную характеристику цепи обратной связи

Рис 72 Частотные характеристики цепи обратной связи

Фазовая характеристика цепи на нижнем рисунке показывает, что сдвиг фаз на частоте около 5 кГц достигает 180 градусов Вместе с исходными 180 градусами это означает, что сигнал обратной связи на входе становится синфазным с входным То есть, обратная связь становится положительной Однако усилитель теряет устойчивость раньше, превращаясь в генератор

Для сборки можно использовать транзисторы 2N2222A или КТ315 Если генерация не возникает, то следует подстроить резистор R3 до возникновения устойчивой генерации Удобно настраивать устройство с помощью осциллографа, но, если его нет, можно использовать наушники, настраивая генератор «на слух»

Вернёмся ко второму каскаду устройства Почему применён эмиттерный повторитель В первую очередь выходное сопротивление этого каскада становится ниже, что позволяет подключать испытуемые усилители с не очень большим входным сопротивлением А вход эмиттерного повторителя достаточно высокоомный, чтоб не влиять на сигнал, формируемый первым каскадом

Посмотрим, как сопротивление второго каскада влияет на сигнал Мы не знаем пока величины входного сопротивления второго каскада, но заменим его резистором, скажем, 10 кОм

Рис 73 Работа первого каскада при нагрузке 10 кОм

А теперь уменьшим это сопротивление нагрузки до 1 кОм

Уменьшение сопротивления нагрузки первого каскада приводит к тому, что генерация полностью отсутствует

Если бы первый каскад усиления был подключён к генератору, то результатом уменьшения нагрузки могло бы стать увеличение нелинейных искажений

Рис 74 Осциллограмма выходного напряжения после замены сопротивления нагрузки Как можно практически оценить входное сопротивление каскада усиления

Мы помним, что напряжение на резистивном делителе делится пропорционально сопротивлению резисторов Если два резистора имеют одинаковое сопротивление, то напряжение на них разделится пополам Используем тот же принцип – добавим между генератором и усилителем резистор Пусть вначале он будет равен 1 Ом Проверим напряжение на выходе усилителя, а

затем подберём резистор так, чтобы напряжение на выходе уменьшилось вдвое Это сопротивление, которое мы подобрали, и будет равно входному сопротивлению усилителя

Рис 75 Измерение входного сопротивления каскада усиления

Правда, для такого измерения нам потребуется генератор Но мы же для того и собираем генератор

Иногда могут возникнуть сомнения такого рода: хорошо, когда мы подключаем внешний источник переменного напряжения, мы вправе рассуждать, будет ли при обратной связи возвращаемый ею сигнал в фазе или в противофазе с входным но в данной схеме Откуда берётся сигнал на выходе транзистора Q1, часть которого мы используем для введения обратной связи

А как всё начинается Мы подключаем питающее напряжение, блок питания или батарейку Сразу после этого через конденсаторы начинает протекать меняющийся ток (мы рассматривали это), он воздействует на транзистор, формируя в его коллекторной цепи напряжение, напряжение меняющееся, то есть, переменное, часть которого и образуют сигнал обратной связи Такие процессы называют переходными

Есть ещё один момент, который стоит обсудить, если у вас нет осциллографа для настройки этого устройства Если нельзя посмотреть сигнал, то его можно послушать К сожалению, сегодня едва ли вы найдёте наушники с большим сопротивлением Но, у вас могут быть наушники от старого плеера, или можно купить самые дешевые, какие найдёте Лучше, если сопротивление их будет не 16 Ом, а 32

Из тех, что в изобилии есть в продаже, встречаются наушники с сопротивлением 16 и 32 Ом Для проверки схем достаточно иметь один наушник, но можно, сняв разъём, соединить наушники последовательно

В итоге можно получить сопротивление 64 Ом Для настройки генератора их можно использовать без дополнительных элементов, если перед включением движок потенциометра сместить в сторону снижения выходного сигнала

Рис 76 Наушники-пробники

При сопротивлении наушников 16 Ом их последовательное соединение даст 32 Ом Этого тоже достаточно для настройки первого генератора синусоидального сигнала, но… соединяя наушники, следует иметь в виду, что их можно соединить и синфазно, и противофазно Прежде чем делать окончательное соединение, следует попробовать оба варианта подключения, выбрав тот, при котором сигнал слышно лучше Чуть позже мы обсудим возможность добавить к наушникам усилитель Но это позже, а сейчас рассмотрим ещё одну разновидность генератора

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: