ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ ТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

September 7, 2014 by admin Комментировать »

Т. Кубат (ЧСФР)

Предлагаемый вниманию читателей прибор является источником сигналов точной и стабильной частоты и состоит из двух частей: логической и аналоговой. Первая из них позволяет получить на выходе сигнал требуемой частоты с логическими уровнями ТТЛ и КМОП, вторая — сигнал синусоидальной, треугольной или прямоугольной формы с регулируемой амплитудой. К особенностям прибора можно отнести использование цифровой установки частоты и фазовой автоподстройки (ФАПЧ),

Технические характеристики

Максимальный выхолной ток при уровне логического О (напряжении низкого уровня), мА:

Структурная схема прибора изображена на рис. 1. Источником сигнала образцовой (точной) частоты является генератор G1, стабилизированный кварцевым резонатором на 100 кГц. После делителя U1 импульсы с частотой повторения в 100 раз меньшей (1 кГц) подаются на вход D фазового детектора U4. Выход последнего через фильтр нижних частот (ФНЧ) R2C2 соединен

с входом генератора, управляемого напряжением (ГУН), G3. Он генерирует колебания частотой от 50 кГц до 1 МГц. Из этого сигнала выходной делитель (J6 формирует более низкочастотные импульсы, которые затем обрабатываются преобразователем U7 и превращаются в напряжение с уровнями КМОП или ТТЛ.

Одновременно сигнал ГУНа G3 поступает на вход делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) U2, где преобразуется в напряжение с частотой, в N раз меньшей. Это напряжение поступает на вход Е фазового детектора U4. Срабатывание системы ФАПЧ происходит, если разность фаз сигналов на входах D и Е равна 0. В этом случае справедливо соотношение f = Nfо, где f—частота сигнала ГУНа (в точке G), N—коэффициент деления ДПКД U2, a fD— частота образцового сигнала на входе D фазового детектора. Если установить коэффициент деления N цифровым переключателем, то его показания численно будут соответствовать частоте колебаний ГУНа (в килогерцах).

Появление разности фаз напряжений на входах фазового детектора приводит к изменению напряжения на входе ГУНа G3, и возникшее отклонение устраняется.

Выход логической части прибора через фазовый детектор U3 и ФНЧ R1C1 соединен с аналоговым генератором G2, который вырабатывает сигнал той же частоты, что и на выходе делителя U6. Форма сигнала — треугольная и прямоугольная. Синусоидальное напряжение формируется из треугольного преобразователем U5. Выбранный переключателем SA1 сигнал подводится к выходному усилителю- повторителю А1, где предусмотрена плавная регулировка от 0 до максимального уровня. Напряжение контролируют вольтметром PU1. Последний узел в цепи сигнала аналоговой части — ступенчатый аттенюатор А2, позволяющий ослабить его на — 20, —40 и —60 дБ.

Прибор питается от сети переменного тока напряжением 220 В через стабилизированный выпрямитель U8. Нормальную работу систем ФАПЧ индицируют светодиоды HL1 и HL2.

Принципиальная схема генератора образцовой частоты, фазового детектора, ГУНа, ДПКД и узла индикации приведена на рис. 2. Генератор образцовой частоты выполнен на двух инверторах микросхемы DD1, резисторах Rl, R2, конденсаторах С1—СЗ и кварцевом резонаторе BQ1. Точную настройку резонатора на частоту 100 кГц производят с помощью подстроечного конденсатора С2. Инвертор DD1.3 использован в качестве буфера.

Делитель частоты на 100 (Ш; здесь и далее в скобках указано обозначение узла по структурной схеме рис. 1) образован декадными счетчиками микросхемы DD2. Сигнал с выхода делителя поступает на вход фазового детектора, который, как и ГУН, является частью микросхемы DD3. Функции ФНЧ выполняет цепь R3R4C4 с двумя постоянными времени, что необходимо для нормальной работы системы ФАПЧ. Частотозадающие элементы ГУНа — резистор R5 и конденсатор С5.

Делитель с переменным коэффициентом деления (U2) выполнен на основе реверсивных десятичных счетчиков DD4—DD7, включенных в режим счета в обратном направлении, и цифрового переключателя SA5, с помощью которого можно установить любой коэффициент деления от I до 9999. В момент, когда все четыре счетчика оказываются в нулевом состоянии, на выходах Р возникает уровень логического 0, а на выходе элемента 4И-НЕ DD8.1 и соединенных с ним

входах S счетчиков — уровень 1, благодаря чему они переходят в состояние, соответствующее данным, установленным переключателем SA5 на входах Dl~~ D8. С этого момента под действием сигнала ГУНа, поступающего с выхода 4 микросхемы DD3, начинается обратный счет от установленных на входах данных, который продолжается до тех пор, пока счетчики вновь не возвратятся в нулевое состояние, после чего все повторится сначала.

Выходной сигнал делителя — последовательность коротких импульсов, возникающих на выходе элемента DD8.1 в моменты перехода счетчиков в нулевое состояние, т. е. после каждых N импульсов ГУНа. Число N, равное коэффициенту деления, устанавливают с помощью специального переключателя SA5 с выходом в коде BCD.

Нормальную работу систем ФАПЧ индицируют светодиоды VD40, VD4I. С целью экономии энергии источника питания они вместе со светодиодом VD39, сигнализирующим о включении прибора в сеть, включены последовательно с источником тока, образованным транзистором VT8, диодами VD37, VD38 и резисторами R27, R28. При работе ФАПЧ на выводе 1 микросхемы DD3 присутствует напряжение с уровнем логической’ 1, а на выходе инвертора DD1.4·— логического О, поэтому транзистор VT1 закрыт, и все три светодиода VD39—VD41 ярко горят. Если же работа системы ФАПЧ нарушится, уровень 1 на выводе 1 DD3 сменится уровнем 0, транзистор VT1 откроется и малым сопротивлением участка эмиттер- коллектор зашунтирует светодиоды VD40, VD41, в результате чего они погаснут. Аналогично при нарушении работы второй системы ФАПЧ (в аналоговой части прибора) открывается транзистор YT4 (см. рис. 6), и гаснет один светодиод VD4I. Конденсаторы С61, С62 предотвращают мигание светодиодов.

Принципиальная схема выходного декадного делителя частоты, а также преобразователя импеданса и логических уровней показана на рис. 3. Этот делитель собран на микросхемах DD10—DD16. Для исключения появления на выходе сигналов сразу двух частот первый декадный счетчик (DD12.1) считает только до 5. Это достигнуто включением между его выходами 1 и 4 и входом R элементов DD11.1, DD11.2, укорачивающих цикл счета указанным пределом.

Требуемый коэффициент деления устанавливают подачей (с помощью переключателя SA2) уровня логической I на вход одного из элементов DD9.1—DD9.4, DD10.1, DD10.2. В положении 1 переключателя SA2 («XI») сигнал на выход поступает непосредственно через элементы DD10.3, DD10.4. Скважность импульсов, равную 2, во всех остальных положениях переключателя обеспечивает триггер DD16.1.

Преобразователь импеданса и уровня КМОП в уровень ТТЛ выполнен на включенных параллельно мощных инверторах микросхем DD17 и транзисторе VT6. При установке выключателя SA1 в положение «ТТЛ» напряжение питания уменьшается на величину напряжения стабилизации стабилитрона VD2, в результате чего уровень логической I понижается примерно до 4.5 В. В этом случае диод VDI ограничивает поступающий на вход преобразователя сигнал до напряжения питания, причем падение напряжения возникает на резисторе R8. Во избежание вызванного его включением уменьшения уровня сигнала на высших частотах (вместе с входной емкостью микросхемы DD17 он образует ФНЧ) резистор зашунтирован цепью R7C6.

Транзистор VT9 постоянно открыт и насыщен. При перегрузке по выходу ток через микросхему DD17 ограничивается значением около 25 мА, что обеспечивает ее защиту.

Генератор, управляемый напряжением, аналоговой части (G2) содержит интегратор и неинвертирующий компаратор с гистерезисом. Принцип его действия заключается в интегрировании напряжения постоянной величины, полярность которого периодически изменяется относительно общего провода. В результате интегрирования формируется линейно нарастающее и по такому же закону спадающее (треугольное) напряжение. Компаратор переключается в моменты, когда напряжение после интегрирования достигает определенного уровня, заданного гистерезисом. Частота колебаний регулируется оптроном, который управляет током, текущим от компаратора к интегратору.

Принципиальная схема ГУНа изображена на рис. 4. Интегратор собран на ОУ DA8, интегрирующие конденсаторы С65—С77, включенные между его выходом и инвертирующим входом, коммутируются переключателем SA2.1. Конденсаторы С72 и С74, включенные между общим проводом и инвертирующим входом ОУ (кроме низкочастотных диапазонов, где один из них подключается к его выходу), повышают устойчивость работы ОУ МАС157, который может самовозбуждаться.

Конденсаторы С71 и С77 блокируют по высокой частоте оксидные конденсаторы С69, С70 и С75, С76 соответственно.

Компаратор выполнен на ОУ DA9. Гистерезис задан сопротивлениями резисторов R63, R66. Для того чтобы ОУ не входил в режим насыщения (это необходимо для нормальной работы компаратора на самых высоких частотах), устройство охвачено отрицательной обратной связью (ООС), состоящей из резистора R67 и диодного моста VD9—VD12 с включенными в его диагональ цепью VD7VD13 и конденсаторами С18, С63. Работает эта цепь следующим образом. Пока напряжение на выходе ОУ DA9 мало, напряжение на инвертирующем входе близко к 0. Когда же уровень выходного сигнала превысит напряжение, равное сумме напряжений стабилизации стабилитронов VD7, VD13 и падений напряжения на открытых диодах противоположных плеч моста VD9—VD12, через резистор R67 потечет ток, и на инвертирующем входе ОУ появится напряжение, отличное от 0. Благодаря большому усилению ОУ и глубокой ООС, дальнейший рост выходного напряжения прекращается, и задолго до вхождения в режим насыщения наступает ограничение напряжения. При этом предполагается, что напряжение на неинвертирующем входе мало, так как иначе к описанному процессу на выходе ОУ прибавится напряжение с неинвертирующего входа. В реальных условиях к входу компаратора подводится напряжение треугольной формы, которое ограничивается (до прямоугольного напряжения на выходе ОУ) встречно-параллельно включенными диодами VD44, VD45.

Конденсаторы С18 и С63 уменьшают динамическое сопротивление стабилитронов VD7, VD13 на низких и высоких частотах, конденсатор С73 компенсирует понижение амплитуды треугольного напряжения на высоких частотах.

На рис. 5 показана приципиальная схема аналогового ГУНа на гибридных ОУ WSH115. Аналоговая часть прибора устойчиво работает на частотах выше 1 МГц, длительность нарастания и спада напряжения прямоугольной формы не превышает 100 нс.

Для преобразования треугольного напряжения в синусоидальное в приборе применен формирователь (рис. 6). Принцип его действия основан на последовательной аппроксимации. При напряжении на выходе ОУ DA10, близком к 0, действует ООС только через резистор R60, который вместе с резистором R58 определяет коэффициент усиления устройства. По мере увеличения напряжения в сторону положительных или отрицательных значений в цепь ОС с помощью соответствующих диодов включаются остальные резисторы. В результате усиление каскада постепенно уменьшается, и треугольное напряжение на выходе формирователя приобретает форму, близкую к синусоидальной. Амплитуда выходного напряжения преобразователя определяется последовательными цепями VD27VD42 и VD28VD43, шунтирующими соответственно резисторы R68, R72, R76, R80, R57 и R69, R73, R77, R81, R59. Цепь R84C64 предотвращает самовозбуждение устройства.

Фазовый детектор аналоговой части собран на микросхеме МНВ4046 (рис. 7). Формирователь импульсов с необходимыми для работы детектора крутизной фронтов и логическими уровнями выполнен на транзисторе VT3 и трех элементах микросхемы DD19. Операционный усилитель на DA4 использован в качестве повторителя напряжения» согласующего пропорциональную RC-цепь (R23, R17— R20, R108, С15—С17, С19) с электронным ключом на транзисторе VT2, управляющим работой оптрона Ш (см. рис. 4, 5). Резистор R13 ограничивает ток через светодиод оптрона, диод VD8 защищает его и эмцттерный переход транзистора VT2 от пробоя при появлении отрицательного напряжения на выходе ОУ DA4 (например, в момент включения прибора).

При появлении на выводе 1 микросхемы DD18 напряжения с уровнем логической 1 высокий уровень на выходе подключенного к нему элемента DD19.4 сменяется низким. В результате открывается транзистор VT4 и светодиод VD41 начинает светиться, сигнализируя о включении системы ФАПЧ.

Выходной усилитель-повторитель (А1) выполнен на комплементарной паре транзисторов VT5, VT10 (рис. 8). Необходимое для работы транзисторов напряжение смещения создается на диодах VD46, VD47. Уровень входного сигнала регулируют переменным резистором R29.

Ступенчатый аттенюатор (А2) выполнен на резисторах R45—R56. Требуемое ослабление сигнала устанавливают переключателем SA4. Независимо от его положения выходное сопротивление прибора равно 600 Ом.

Напряжение сигнала на выходе усилителя-повторителя (или, что то же самое, на входе аттенюатора) контролируют вольметром переменного тока. Он состоит из усилителя сигнала на транзисторах VT6, VT7, выпрямителя на диодах VD15, VD16 и микроамперметра РА1. Подстроечные резисторы R42, R43, R44 служат

для калибровки вольтметра при измерении напряжений соответственно треугольной, синусоидальной и прямоугольной формы.

Принципиальная схема двуполярного источника питания приведена на рис. 9. Неизменность выходных напряжений обеспечивается интегральными стабилизаторами МАА7815 (DA6, DA7). Других особенностей устройство не имеет. Ток, потребляемый прибором от источника положительного напряжения, не превышает 180 мА, отрицательного— ПО мА.

Прибор смонтирован в корпусе из листового алюминиевого сплава (рис. 10). Он состоит из передней и задней панелей и двух крышек: верхней и нижней. На небольшом расстоянии от передней панели установлена дополнительная панель из листового дюралюминия с закрепленными на ней переключателями SA1 — SA4 и переменным резистором R29. Трансформатор питания ТЛ, держатель предохранителя FU1 и колодка со штепселями для подключения сетевого шнура установлены на задней панели. Надписи на передней панели (рис. 11) выполнены переводным шрифтом и защищены прозрачным бесцветным лаком.

Большинство печатных плат прибора снабжено соединителями WK465-40 и WK462-05, ответные части которых смонтированы на печатной плате соединений. На ней же установлены элементы R27, R28 С61, С62, VD37, VD38, VT8 устройства

сигнализации (см. рис. 2), резисторы R101—R107 выходного делителя частоты и элементы R10, VT9 преобразователя логических уровней (см. рис. 3), а также резисторы R17—R20, R108 и конденсаторы С15—07, 09 ФНЧ второго фазового детектора (см. рис. 7). Схема соединений узлов прибора между собой изображена на рис. 12.

Чертеж печатной платы и размещение на ней деталей генератора сигнала образцовой частоты, фазового детектора и ГУНа логической части прибора показаны на рис. 13 (а—вид со стороны печатных проводников, б — со стороны установки деталей, в — расположение элементов на плате), делителя частоты с переменным коэффициентом деления — на рис. 14, выходного декадного делителя

частоты — на рис. 15, преобразователя логических уровней и узла индикации — на рис. 16, аналогового ГУНа — на рис. 17, преобразователя треугольного напряжения в синусоидальное и второго фазового детектора — на рис. 18, выходного усилителя-повторителя и вольтметра — на рис. 19, аттенюатора — на рис. 20, источника питания — на рис. 21. Платы преобразователя логических уровней, аттенюатора и источника питания изготовлены из одностороннего фольгирован- ного стеклотекстолита, все остальные — из двустороннего. Зачерненными кружками обозначены отверстия, через которые пропущены проволочные перемычки,

*)

Рис. 19                                             ^

соединяющие печатные проводники одной стороны платы с проводниками другой. Чертеж платы соединений не приводится, так как ее форма и размеры зависят от конструкции прибора, которая может отличаться от описываемой. Во избежание замыканий отверстия в контактных площадках, подлежащих соединению с переключателем SA5 (рис. 14), сверлить не рекомендуется.

Печатные платы аттенюатора (рис. 20) и преобразователя логических уровней с узлом индикации (рис. 16) закреплены на дополнительной панели корпуса и подключены к плате соединений короткими проводами.

Рис. 20

Переключатели SA2 и SA5 соединены с соответствующими платами с помощью миниатюрных разъемных соединителей. Резисторы R85—R100 размещены непосредственно на печатных платах переключателя SA5.

Изображенные на чертежах печатных плат конденсаторы Сбл— блокировочные в цепях питания микросхем, их емкость — 0,068 мкФ, на принципиальных схемах они не показаны.

Следует учесть, что в ГУНе аналоговой части прибора в качестве интегрирующих (рис. 4, С65—С68; рис. 5, С7—СЮ) нежелательно использовать керамические конденсаторы, обладающие значительной зависимостью емкости от приложенного к обкладкам напряжения. Применение таких конденсаторов приведет к ухудшению линейности пилообразного напряжения, а следовательно, и к увеличению коэффициента гармоник синусоидального сигнала.

Резисторы для ступенчатого аттенюатора (R48—R55) подбирают из резисторов с ближайшими номиналами либо получают параллельным или последовательным соединением резисторов с другими номиналами.

В вольтметре используется микроамперметр МР80 с током полного отклонения стрелки 100 мкА.

Для надежной работы прибора микросхемы DA6, DA7 и транзистор VT8 желательно снабдить трубчатыми теплоотводами, согнутыми из тонкого (толщиной 0,5…0,8 мм) латунного или медного листа и плотно надетыми на их корпуса.

Налаживание прибора начинают с логической части. В большинстве случаев оно сводится к настройке кварцевого генератора точно на частоту 100 кГц подстроечным конденсатором С2, а при необходимости и подбором конденсатора СЗ.

Рис. 21

Если же логическая часть не работает, поступают следующим образом. Вначале проверяют работу генератора. Возможно, что он генерирует на высшей гармонической частоте. «Заставить» его работать на нужной частоте можно подбором резисторов Rl, R2.

Затем контролируют сигнал на выходе счетчика DD2.2: фронты импульсов, поступающих на вход фазового детектора (вывод 14 DD3), должны быть крутыми, иначе последний не будет работать. Далее отключают вывод 3 DD3 от выхода элемента DD8.1 и, соединив его с общим проводом, измеряют напряжение на выводе 13 (оно должно быть близко к напряжению источника питания). При этом на выводе 4 DD3 (точка G) должны появиться колебания частотой более 1 МГц, а на выходе (на выводе 13 DD8.1)—игольчатые импульсы. После восстановления цепи ФАПЧ должен загореться светодиод VD40, а на выходе элемента DD1.4 (вывод 11)—появится напряжение низкого логического уровня с едва заметными (на экране осциллографа) игольчатыми импульсами.

На выходных импульсах логической части могут наблюдаться небольшие выбросы, увеличивающиеся при использовании неэкранированного кабеля. Избавиться от них нетрудно — достаточно в цепь сигнала включить катушку, содержащую примерно 70 витков провода ПЭВ-2 0,2, намотанного на корпус резистора TR520 сопротивлением 68 Ом и припаянного концами к его выводам.

Налаживание аналоговой части прибора более трудоемко. Вначале, отключив неинвертирующий вход ОУ DA4 (см. рис. 7) от переключателя SA2.3 и резистора R23, подают на него напряжение положительной полярности и, изменяя его, проверяют, вырабатывает ли ГУН на ОУ DA8, DA9 колебания в заданном диапазоне частот при включении в цепь ООС соответствующего интегрирующего конденсатора. Одновременно проверяют, не самовозбуждается ли при этом ОУ DA8.

Восстановление нарушенного соединения должно привести к срабатыванию ФАПЧ, появлению на выходе элемента DD19.4 (вывод 11) напряжения низкого уровня и загоранию светодиода VD41 (см. рис. 2). Если же срабатывания не произойдет, необходимо проверить наличие импульсов на выводе 3 микросхемы DD18, оценить крутизну их фронтов.

Затем, убедившись в том, что амплитуда сигналов в точках Ми L (рис. 4) не выходит за пределы 5,5…6 В, переходят к настройке формирователя синусоидального напряжения (см. рис. 6). Установив движки всех подстроечных резисторов в положение, соответствующее максимальному сопротивлению, подключают к точке U один из входов двухлучевого осциллографа. Добившись изображения одного- двух периодов треугольного напряжения со срезанными вершинами, подбирают такое сопротивление резистора R65, при котором обе вершины ограничиваются при одинаковых (по абсолютной величине) напряжениях (этим компенсируется разность напряжений стабилизации стабилитронов VD42, VD43). После этого на второй вход осциллографа подают синусоидальный сигнал той же частоты от образцового генератора и, совместив изображения обоих сигналов, вначале подстроечным резистором R60, а затем и остальными (R70, R71, R74, R75 и т. д.) добиваются того, чтобы осциллограммы полностью совпали.

В заключение калибруют вольтметр переменного тока. Для этого переключатель SA4 (см. рис. 8) переводят в положение «5 В» и, подключив к выходному гнезду осциллограф, устанавливают движок переменного резистора R29 в положение, при котором амплитуда пилообразного напряжения (переключатель SA3— в верхнем по схеме положении) на выходе равна 5 В. Калибровка заключается в установке (подстроечным резистором R42) стрелки микроамперметра РА1 на крайнюю отметку шкалы. Аналогично (подстроечными резисторами R43 и R44) калибруют вольтметр в остальных положениях переключателя SA3 (при синусоидальном и прямоугольном сигналах).

Порядок работы с прибором. Включение его в сеть индицирует светодиод желтого свечения VD39. Требуемую частоту в первом поддиапазоне (0,050… …1,000 Гц) устанавливают переключателем SA5, множитель (Х1…Х106)— переключателем SA2, требуемый уровень выходного сигнала (КМОП или ТТЛ) выбирают выключателем SA1, форму аналогового сигнала — переключателем SA3. Свечение красного светодиода VD40 свидетельствует о нормальной работе ФАПЧ логической части, а это значит, что частота следования импульсов на ее выходе (XS2) в точности равна установленной переключателями SA5 и SA2.

Амплитуду колебаний на выходе аналоговой части (XS1) грубо регулируют переключателем SA4, плавно — переменным резистором R29. Свечение красного светодиода VD41 свидетельствует о нормальной работе второй петли ФАПЧ: он светится, пока частота колебаний на выходном гнезде XS1 равна установленной переключателями SA5 и SA2.

Колебания прямоугольной формы используют для исследования частотных параметров цепей (сигнал проходит через эту цепь без искажений только в том случае, если она частотно независима, любая частотная зависимость вызовет деформацию фронта, спада или плоской вершины импульса либо проявится в выбросах по фронту и спаду). Треугольным напряжением удобно проверять нелинейность устройств (искажения на осциллограмме напряжения этой формы хорошо видны, в то время, как на синусоидальном сигнале они трудно различимы).

Источник: Конструкции советских и чехословацких радиолюбителей: Сб. статей/Состав.: А. В. Гороховский, В. В. Фролов— Кн. 4.— М.: Радио и связь, 1991.— 208 с.: ил.— (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1169).

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