ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР

May 7, 2010 by admin Комментировать »

Ю. Зальцман

Генератор низкой частоты — один из необходимых приборов в лаборатории радиолюбителя. Широкий пе­речень устройств, при налаживании которых необходим этот прибор, определяет высокий уровень требований, предъявляемых к его параметрам. .В последнее время» наряду с классическими схемами генераторов, исполь­зующими в качестве частотозадающего элемента пере­страиваемые резонансные jRC-звенья, все большее рас­пространение получают так называемые функциональ­ные генераторы (ФГ). К их преимуществам относятся: высокая стабильность амплитуды выходного напряже­ния; возможность генерирования инфранизких частот; практически равное нулю время установления выходного напряжения и частоты; отсутствие в конструкции дефи­цитных деталей (например, сдвоенных прецизионных пе­ременных резисторов и термисторов). Кроме того, функ­циональные генераторы позволяют получить напряжение не только синусоидальной, но также прямоугольной и треугольной форм. Однако известные схемы таких гене­раторов [1 — 4] обладают и рядом недостатков, к основ­ным из которых относятся относительно высокий уровень нелинейных искажений синусоидального сигнала и огра­ниченный частотный диапазон в области ультразвуковых частот.

clip_image002

Рис. 1. Принципиальная схема генератора

Описываемый функциональный генератор, в котором по возможности уменьшены указанные недостатки, имеет следующие основные параметры:

Форма выходного напряжения . ……. Синусоидальная, треугольная,прямоугольная

Диапазон генерируемых частот, Гц …… 0,1 . . . 3-106

Число поддиапазонов………… б

Коэффициент гармоник, %:

до 50 кГц…………… о,5

до 300 кГц…………… 1,0

Неравномерность амплитудно-частотной характе­ристики: %;

до 50 кГц …………… 1

до 300 кГц…………… 3

Длительность фронтов напряжения прямоуголь­ной формы, не …………… 250

Максимальная двойная амплитуда напряжения-

всех форм, В …-…………. 10

Максимальный ток нагрузки, мА……. 30

Коэффициенты деления выходного делителя на­пряжения, раз … .. . …….. 1, 10, 100, 1000

Плавная регулировка амплитуды выходного на­пряжения . ………….. Не менее 1 :20

В схеме функционального генератора помимо основ­ного выхода имеется дополнительный дифференциаль­ный, амплитуда и форма напряжения на котором уста­навливаются синхронно с основным, а сдвиг по фазе равен 180°. Запаздывание фронта сигнала на дифферен­циальном выходе по отношению к основному — не более 40 не. Предусмотрен также выход прямоугольных им­пульсов с уровнем, соответствующим уровням ТТЛ-ло­гики, и регулируемой скважностью в пределах от 11 до 10.

Основой ФГ служит замкнутая релаксационная си­стема, состоящая из интегратора и компаратора и пред­назначенная для получения колебаний прямоугольной и треугольной форм. Постоянная времени интегратора, выполненного на основе операционного усилителя (ОУ) А1 (рис. 1), и, следовательно, частота генерируемых колебаний зависят от емкости одного из конденсаторов С2…С7, включаемого в цепь отрицательной обратной связи с помощью переключателей S1…S4. Напряжение с выхода интегратора подается на вход двухполярного компаратора на ОУ А2 и по достижении порога его срабатывания полярность напряжения на выходе А2, а следовательно, и на входе интегратора меняется на противоположную, и цикл повторяется. Плавная регули­ровка частоты осуществляется резистором R7.

Проведенные эксперименты показали, что частотный диапазон ФГ ограничен в сторону высших частот в значительной степени быстродействием компаратора, от которого зависит нелинейность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на высоких частотах. В схеме – компаратора был опробован ряд типов операционных усилителей. Наиболее подходящими оказались 153УД1, позволяющие получить быстродействие компаратора, до­статочное для генерации частот до 400 кГц. ЯС-цепочка R9, R13y С9, С10 позволяет скорректировать нелиней­ность АЧХ, возникающую на последнем поддиапазоне вследствие конечного времени срабатывания компарато­ра. Резистором R10 производится симметрирование по­рогов срабатывания компаратора для положительного и отрицательного напряжения на низких частотах. Для улучшения формы генерируемых прямоугольных импуль­сов на выходе компаратора включен симметричный ограничитель на диодах VL..V4 и стабилитроне V5. Рези­сторами R3 и R4 устанавливают соотношение минималь­ной и максимальной частот поддиапазонов, Конденсатор С1 служит для устранения паразитных ВЧ колебаний, появляющихся иногда на выходе интегратора.

Для преобразования треугольного напряжения в си­нусоидальное использована хорошо зарекомендовавшая себя схема функционального преобразователя на поле­вом транзисторе, подробно описанная в [1]. Для облег­чения налаживания ФГ и повышения качественных по­казателей напряжение на преобразователь поступает с (выхода отдельного масштабного усилителя A3. Регули­ровка его коэффициента усиления и смещения нуля ре­зисторами R22 и R23 позволяют оптимизировать форму треугольного напряжения, подаваемого на функциональ­ный преобразователь на транзисторе V8, и значительно улучшить форму синусоидального сигнала. Необходи­мость введения разделительного конденсатора С8 опре­деляется тем, что начиная уже с частот в несколько килогерц на выходе интегратора А1 возникает смещение среднего уровня сигнала, обусловленное асимметрией порогов срабатывания компаратора, появляющейся на высоких частотах. Без конденсатора С8 напряжение треугольной формы на выходе ФГ становится несиммет­ричным относительно нуля, а форма синусоидального сигнала резко искажается.

Напряжение треугольной формы с выхода ГАЗ по­дается, кроме функционального преобразователя, на вход триггера Шмитта, выполненного на транзисторе V10 и микросхеме DL Скважность прямоугольных импульсов на выходе 8 D1 можно изменять, регулируя порог сраба­тывания триггера резистором R24.

Напряжение синусоидальной, треугольной или -прямо­угольной форм через переключатели формы выходного сигнала 55, S6.2 подается на оконечный масштабный усилитель А4 и далее на усилитель мощности на тран­зисторах V15, V16. Питание к ОУ А4 подведено через RС-фильтры R43C11 и R47C13, предотвращающие воз­можное возбуждение усилителя. В цепь отрицательной обратной связи усилителя включен переменный резистор R40,. которым плавно регулируют амплитуду выходного напряжения. Такой способ регулирования, в отличие от включения потенциометра на входе ОУ, делает шкалу регулятора амплитуды единой для всех форм выходного напряжения и улучшает отношение сигнал — шум при низких уровнях выходного напряжения.

На выходе усилителя включен ступенчатый делитель, .позволяющий получить ослабление выходного сигнала в 10, 100 или 1000 раз. Четыре ступени деления полу­чены с помощью всего двух клавишных переключате­лей — при одновременном нажатии S7 и S8 коэффициент деления равен 1000. Преимуществом такого способа является и то, что при отжатых клавишах (коэффициент деления равен 1) резисторы делителя отключены от вы­хода усилителя, что несколько повышает его нагрузоч­ную способность в этом режиме.

На дифференциальный выход напряжение поступает с аналогичного по схеме инвертирующего усилителя на ОУ А5 и транзисторах V17, V18. Его вход подключен к выходу первого усилителя, а коэффициент усиления по напряжению равен 1. Делитель напряжения диффе­ренциального выхода переключается синхронно с дели­телем основного. Легко заметить, что разность напряже­ний между основным и дифференциальным выходами равна удвоенной амплитуде напряжения на каждом из них. Помимо возможности получения удвоенной ампли­туды сигнала, наличие дифференциального выхода не­обходимо при налаживании ряда устройств с дифферен­циальным входом, например самопишущих приборов или измерительных дифференциальных усилителей.

О той роли, которую играет реле K1, следует сказать особо. Дело в том, что фронты прямоугольных импульсов с выхода компаратора, если их непосредственно подвести к переключателю S6.2, легко проникают через его про-кодную емкость на вход оконечного усилителя и вызы­вают значительные искажения формы треугольного и синусоидального сигналов. Контакты реле K1, коммути­руя цепи, имеющие заметную емкость относительного входа А4, соединяют их при генерации напряжений -ука­занной формы с общим проводом, чем этот вид искаже­ний полностью устраняется.

Питается генератор от любого двуполярного стабили­зированного источника питания напряжением ±15 В, с малыми пульсациями выходного напряжения и допу­стимым током нагрузки не менее 0,15 А. Может быть, например, использован блок питания генератора, опи­санного в [2]. При выборе и налаживании источника питания следует обратить особое внимание на устране­ние самовозбуждения стабилизатора напряжения, весьма вероятного при питании генераторных схем.

Микросхемы К574УД1А можно заменить на К574УД1Б. Если же ограничить рабочую частоту генера-.тора до 30 кГц, возможна замена их на К140УД8Б, без изменения принципиальной схемы. Вместо 153УД1 мож­но использовать К153УД1 или К553УД1 (с любой бук­вой), но при этом для получения максимальной частоты генерации 300 кГц может потребоваться их подбор. На частотах до 100 кГц указанные типы операционных уси­лителей работают без подбора. При применении в каче­стве А2 других типов ОУ получить частоту генерации выше 50…70 кГц при удовлетворительной линейности АЧХ не удается.

В качестве D1 можно использовать любые инверторы серий К133, К155. Транзисторы КТ315 и КТ361 могут быть заменены на любые кремниевые транзисторы ма­лой мощности с соответствующей проводимостью и ана­логичными параметрами. Если в усилителях мощности применить транзисторы серии КТ814, КТ815 (с любой буквой), то нагрузочная способность генератора может быть значительно повышена. При такой замене номина­лы резисторов R53…R56 и R57…R64 следует уменьшить примерно в 5 раз. Диоды Д223 можно заменить любыми кремниевыми высокочастотными, диоды Д311 — Д18, ГД507, а вместо транзистора КП303Е — КП303Г или КП303Ф. Конденсаторы С2, CS — К53-7 или иные непо­лярные. Остальные конденсаторы — керамические типов КМ, КЛС, КТК и т. п. Можно использовать и бумажные конденсаторы. Если предполагается эксплуатация ФГ в значительном диапазоне температур, необходимо вы­брать типы конденсаторов С2…С7 с малым ТКЕ. Предва­рительный подбор номиналов С2…С6 с точностью до 1 % значительно упрощает налаживание.

Резисторы могут быть любого типа, непроволочные, однако R57…R64 следует подобрать с точностью ±1 %. Переключатели — клавишные типа П2К, причем S1…S3 и S5…S6 с зависимой фиксацией, а остальные — с неза­висимой. Реле K1 можно использовать любое малогаба­ритное с соответствующим напряжением срабатывания.

Функциональный генератор собран на печатной плате из двухстороннего фольгироваиного стеклотекстолита , толщиной 1,5 мм. При разработке печатной платы нужно учесть следующее. Детали интегратора и компаратора должны быть размещены как можно компактнее и уда­лены от оконечных усилителей. Печатные проводники, соединяющие конденсаторы С2…С7 с интегратором и переключателем поддиапазонов, установленным на той же плате, должны быть как можно короче. Реле К1 устанавливают как можно ближе к выходу компаратора. Все свободные участки фольги соединяют с общим про­водом. Блок питания размещают на отдельной печатной плате.

Металлический корпус, в котором размещают печат-. ные платы, должен быть электрически соединен с общим проводом.

Налаживание генератора требует внимания и соблюдения стройной последовательности операций. Для налаживания нербходим осциллограф, позволяющий с достаточной точностью измерять амплитуду и длитель­ность и имеющий открытый вход усилителя вертикаль­ного отклонения. Осциллограф следует применять только с выносным делителем, имеющим входную емкость не более 15 пФ при сопротивлении 10 МОм.

Перед началом налаживания движки всех подстроеч-ных резисторов устанавливают в среднее положение. Включив питание, резистором R10 устанавливают на выводе 2 ОУ А2 напряжение, равное нулю. Убедившись в наличии генерации (при исправных деталях и отсут­ствии ошибок монтажа она появляется сразу), резистором R1 устанавливают частоту прямоугольных импуль­сов на выходе А2 около 100 Гц на третьем поддиапазоне, а резистором R7 получают скважность импульсов, рав­ную двум. Если конденсаторы С2…С6 подобраны точно, при переключении первых пяти поддиапазонов частота должна изменяться ровно в 10 раз. Границы поддиапа­зонов устанавливают кратными 1 и 30 резисторами R3 и R4 соответственно. Затем, установив частоту 10 кГц на пятом поддиапазоне, переходят на шестой и подбира­ют конденсатор С7 для получения частоты генерации 100 кГц. Установив на этом поддиапазоне максимальную частоту, отмечают амплитуду треугольного напряжения на выходе А1. Затем устанавливают минимальную часто­ту поддиапазона, и резистором R9 восстанавливают прежнюю амплитуду. Повторяя эту операцию, каждый раз уточняют частотные границы поддиапазона резисто­рами R3 и R4. Получив таким путем линейную АЧХ, проверяют соответствие отметок частот 10 и 100 кГц на пятом и шестом поддиапазонах. Если появилось рас­хождение между ними, вновь уточняют емкость кон­денсатора С7 и повторяют все последующие операции. Следует иметь в виду, что при совпадении отметки часто­ты 10 кГц на пятом поддиапазоне и 100 кГц на шестом, перекрытие по частоте на последнем получается немного меньшее и расхождение на краях может достигать 5 %. Частоты на остальных поддиапазонах кратны во всех точках шкалы значению сопротивления резистора RL Отсутствие кратности говорит о наличии заметных уте­чек в конденсаторах С2…С6 или загрязнений на печат­ной плате.

Важнейшей операцией является получение синусои­дального сигнала с минимумом нелинейных искажений. Для этого вначале балансируют оконечный усилитель А4. При крайнем правом (по схеме) положении движка ре­зистора R40 устанавливают на выходе усилителя с по­мощью резистора R45 напряжение, равное нулю. Затем, при максимальном усилении, с помощью резистора R34 устанавливают амплитуду синусоидального сигнала («Выход 1») э пределах 7… 10 В. Регулировку формы сигнала-производят резистором R22, а его симметриро­вание — резистором R23 на частоте около 10 кГц (пятый поддиапазон). Значительно увереннее, чем по экрану осциллографа, эту операцию можно выполнить при наличии измерителя нелинейных искажений, Если в распоряжении радиолюбителя нет промышленного или самодельного измерителя, можно воспользоваться схе­мой, приведенной на рис. 2. Это двойной Г-мост, настро­енный на частоту 10666 Гц. Точно настроив ФГ на час­тоту Г-моста, что определяют по полному подавлению первой гармоники сигнала на экране осциллографа, под­страивают резисторы R22 и R23 до достижения мини­мальной амплитуды и симметричности напряжения гар­моник на выходе 7-моста. Значительного снижения коэф­фициента нелинейных искажений на низкочастотных под­диапазонах можно достигнуть, если применить ту же схему, но с увеличенными в 100 раз емкостями конденса­торов. Подстройка осуществляется аналогичным образом на частоте 106,66 Гц с помощью резистора R10. Коэффи­циент нелинейных искажений на высокочастотных под­диапазонах при этом не меняется. Номиналы резисторов и конденсаторов Г-моста должны быть подобраны воз­можно точнее, во всяком случае не хуже, чем с точ­ностью до 1…2 %.

clip_image003

Рис. 2. Схема настройки ФГ

Затем с помощью резисторов R34, R29, R30 устанав­ливают на «Выходе 1» ФГ максимальную амплитуду напряжения всех трех форм, равную 10 В, а резистором R39 устанавливают равную амплитуду на «Выходе 2», предварительно сбалансировав ОУ А5 резистором R46. При желании можно установить на выходе ФГ иную максимальную амплитуду сигнала, до 20 В амплитуд­ного значения, или проградуировать шкалу резистора R40 в среднеквадратичных значениях выходного напря­жения. В последнюю очередь налаживают триггер Шмит-та; резисторами R20 и R21 устанавливаю? диапазон ре­гулировки скважности импульсов на «Выходе 3» от 1,1 до 10.

По окончании налаживания ФГ градуируют шкалы резисторов Rl, R24 и R40, а движки всех подстроечных резисторов фиксируют с помощью краски.

В заключение можно отметить, что ФГ не выходит из строя вследствие кратковременных коротких замыка­йий в нагрузке, но длительное замыкание может при­вести к перегреву выходных транзисторов усилителей.

Литература

1. Абрамов А., Милехин А. Функциональный генератор. — В помощь радиолюбителю, вып. 59. — М.: ДОСААФ, 1977, с. 37.

2. Алексаков Г., Гаврилин В. Низкочастотный функ­циональный генератор. — Радио, № 5 — 6, 1981, с. 68.

3. Ануфриев Л. Простой функциональный генератор. — Ра­дио, № 11, 1980, с. 42. ,

4. Функциональный генератор. — Радио, № 10, 1981, с. 58.

OCR Pirat

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты