Функциональный генератор. Схемы низкочастотных функциональных генераторов

Генераторы применяются для проверки и настройки радиоэлектронных устройств, каналов связи, при поверке и калибровке средств измерений и в других целях.

Функциональный генератор сигналов – это прибор для формирования сигналов комбинированного напряжения с необходимыми параметрами частоты, длительности и формы, которые регулируются с  точностью в установленных пределах. Отдельные устройства также способны выполнять функции источников качающейся частоты (с заданным законом) или создавать амплитудно-, фазово- или частотно-модулированные сигналы.

Целями применения функциональных генераторов являются:

• преобразование сигналов;
• проведение измерений;
• осуществление отладки и испытаний всевозможных устройств.

Подобная импульсная техника востребована в сферах электроники, лабораториях, промышленности, телекоммуникационной отрасли.

Широкодиапазонный функциональный генератор и другие ближайшие аналоги тестируют радиоэлектронную аппаратуру посредством прохождения по трактам генерируемых сигналов разной формы:

от синуса, прямоугольника и треугольника, до пилы, трапеции.

При этом гарантируется полный контроль над характеристиками импульсов, а значит, достижение результатов выполнения необходимых работ.

Дополнительным удобством и эффективностью в применении способно похвастаться использование связки из функционального генератора и генератора импульсов. В таком случае обеспечивается расширение возможностей техники для решения сложных или специализированных задач с получением точных показателей.

Предложенные схемы низкочастотных функциональных генераторов обладают близкими техническими характеристиками и отличаются схемными решениями отдельных функциональных узлов. При повторении конструкций можно выбрать любую из схем или такую комбинацию функциональных узлов этих схем, которая максимально удовлетворит предъявляемые к генератору требования.

Ремонт узлов и устройств низкочастотной радиоэлектронной аппаратуры значительно упрощается при наличии функционального генератора, позволяющего исследовать амплитудно-частотные характеристики устройства, переходные процессы и нелинейные характеристики аналоговых устройств, а также генерировать импульсы прямоугольной формы для наладки цифровых схем. Наличие большого количества гармоник в выходном сигнале генератора позволяет исследовать высокочастотные избирательные системы. Опубликовано довольно большое количество схемных решений таких генераторов. Как правило, они достаточно сложны в изготовлении и наладке.

Предлагаемые схемы функциональных генераторов (рис.1 и рис.2) отличаются многофункциональностью и простотой. Генераторы были изготовлены авторами и уже длительное время используются в радиолюбительской практике.

В основу генераторов положена известная схема, состоящая из интегратора, триггера Шмитта и нелинейного преобразователя напряжения треугольной формы в синусоидальное напряжение.

Генератор, схема которого показана на рис.1, собран на двух микросхемах К157УД2, каждая из которых содержит по два операционных усилителя (ОУ).

Интегратор собран на операционном усилителе DA1.1.

Плавная регулировка частоты осуществляется потенциометром R2, а изменение диапазонов частот достигается переключением конденсаторов С1-С4 с помощью переключателя SA1.

Для приведенных на схеме значений номиналов элементов диапазон частот 1 Гц… 10 кГц перекрывается поддиапазонами: 1 Гц…10 Гц, 10 Гц…100 Гц, 100 Гц…1 кГц и 1 кГц…10 кГц. Подстроечный резистор R6 служит для подстройки диапазона изменения частоты в процессе настройки всего генератора.

Триггер Шмитта собран на ОУ DA1.2.

В состав триггера также входит ключевая схема на комплементарных транзисторах VT2 и VT3. Необходимость в такой схеме объясняется тем, что для большинства ОУ максимальные значения выходного положительного и отрицательного напряжения отличаются, что приводит к несимметрии формы прямоугольного выходного напряжения. Транзисторы работают в ключевом режиме, поэтому падение напряжения на открытых транзисторах мало и составляет доли вольт, что гарантирует симметрию формы выходного напряжения и, как следствие, малые искажения формы синусоидального напряжения генератора. Кроме того, резисторы обратных связей следует подобрать так, чтобы R24 было равно R25, a R26 было равно R27.

Амплитуда напряжения треугольной формы зависит от порога срабатывания триггера Шмит-та. Она равна:

и не зависит от генерируемой частоты.

Это напряжение подается на нелинейный преобразователь на полевом транзисторе VT1.

Форма выходного напряжения преобразователя на истоке транзистора сильно зависит от амплитуды подаваемого на него треугольного напряжения. Если она мала, то выходное напряжение имеет треугольную форму, если велика, то форма становится трапецеидальной.

Поэтому, подбирая величину резистора R13, необходимо добиться более-менее синусоидальной формы выходного напряжения.

Необходимая величина амплитуды напряжения треугольной формы зависит от напряжения отсечки полевого транзистора. Она будет тем больше, чем больше напряжение отсечки.

В большинстве случаев достаточно подобрать только резистор R13, но если синусоида все-таки искажена, то дополнительно следует изменить сопротивление резистора R10.

Изменение величины R13 влияет на частоту генерированного напряжения, поэтому после получения синусоидального напряжения необходимо подстроить диапазон частот генератора. Например, в верхнем положении движка регулятора частоты R2 и переключателя SA1 подстроечным резистором R6 установить частоту генератора 10 кГц.

Синусоидальное напряжение с выхода нелинейного преобразователя через переключатель формы напряжения генератора SA2 подается на регулятор амплитуды выходного напряжения генератора R12. Так как амплитуда этого напряжения зависит от выбора конкретного полевого транзистора и примерно равна 0,9 В, то для увеличения ее до 5 В служит усилитель DA2.1.

Измерение выходного напряжения генератора осуществляется вольтметром, состоящим из операционного усилителя DA2.2, диодного мостика VD3 и измерительного прибора РА1.

Благодаря включению мостика и прибора в цепь обратной связи операционного усилителя достигается высокая линейность шкалы измерительного прибора. Если шкала прибора равна 100 мкА, то при R23=51 кОм и амплитуде выходного синусоидального напряжения 5 В получим отклонение стрелки прибора на значение 0,64 от всей шкалы. Это выставляется подстроечным резистором R18 при верхнем положении движка R12.

Для получения такой же амплитуды при генерировании напряжения треугольной формы необходимо потенциометром R8 установить 0,5 шкалы прибора РА1, при прямоугольной форме напряжения потенциометром R15 установить полную шкалу прибора.

На частоте 1 Гц для уменьшения колебаний стрелки прибора последовательно с ним включен резистор R38 и конденсатор С10. Величина резистора не влияет на показания прибора, поэтому для уменьшения колебаний можно еще уменьшить R38 и С10. Разные значения показаний обусловлены тем, что вольтметром измеряются средне-выпрямленные значения различных форм напряжений, а не амплитудные. Делитель напряжения R30-R37 позволяет получить уменьшенное в 10, 100 и 1000 раз напряжение генератора.

Следует обратить внимание на необходимость использования стабилизированного источника питания генератора, так как изменение напряжения питания оказывает влияние на форму синусоидального напряжения.

На рис.2 показана схема функционального генератора, отличающегося от приведенного на рис.1 схемотехническим решением некоторых узлов.

В этом генераторе также используется интегратор, триггер Шмитта и нелинейный преобразователь на полевом транзисторе. Так как напряжение питания генератора выбрано равным ±7,5 В, то для формирования импульсов прямоугольного напряжения с крутыми фронтами в схеме использован формирователь на микросхеме DD1 типа К561ЛА7.

На входе этого формирователя установлен инвертор на логическом элементе «И-НЕ» DD1.1, а за ним, для увеличения выходной мощности, установлены три остальных элемента «И-НЕ» микросхемы, соединенные параллельно.

Компаратор DA3 и микросхема DD1 образуют триггер Шмитта, благодаря чему выходные импульсы имеют крутые фронты.

В отличие от предыдущей схемы, напряжение положительной обратной связи подается на неинвертирующий вход DA3.

Применение в генераторе быстродействующих операционных усилителей КР544УД2 при напряжении питания ±7,5 В и суммарном напряжении питания 15 В на микросхеме DD1 позволило достичь рабочей частоты 20 кГц. Кроме того, амплитуда выходного напряжения микросхемы DD1 практически достигает напряжения 7,5 В, что превышает амплитуду напряжения на выходе компаратора DA3 примерно на 1,5 В.

Если все же наблюдается небольшое отклонение скважности прямоугольных импульсов от 2, то скорректировать ее можно регулировкой потенциометра R18.

Процесс настройки генератора не отличается от процесса настройки предыдущей схемы.

В узле индикации генератора применен амплитудный детектор, поэтому его шкала имеет нелинейность при малых выходных напряжениях. Преимущество такого метода измерения амплитуды выходного напряжения — независимость показаний измерительного прибора от формы выходного напряжения генератора. Поддиапазоны генерируемых частот 20 Гц.. .200 Гц, 200 Гц.. .2 кГц и 2 кГц.. .20 кГц.

На основании предложенных схемных решений разработчик может реализовать свой вариант решения функционального генератора, который соответствует его опыту, имеющейся элементной базе и потребностям.
PA 8’2011