Функциональные генераторы
Известно, что при генерации низкочастотных синусоидальных колебаний довольно трудно обеспечить стабилизацию амплитуды. Гораздо проще формировать с помощью триггера Шмитта и интегратора переменное напряжение треугольной формы. В дальнейшем треугольные колебания можно преобразовать в синусоидальные. Так как при этом методе одновременно получаются треугольные, прямоугольные и синусоидальные колебания, можно привести схемы, которые работают на этом принципе как генераторы функций. Структурная схема такого устройства представлена на рис. 30.
Принцип его действия состоит в том, что на вход интегратора подается напряжение постоянной величины положительной или отрицательной полярности, в зависимости от того, в каком направлении выходное напряжение интегратора должно изменяться. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога включения и соответственно выключения триггера Шмитта, полярность напряжения на входе интегратора меняется на противоположную. Следствием этого будет появление на выходе интегратора напряжения треугольной формы, размах которого определяется уровнями срабатывания триггера Шмитта.
|
Рисунок 30 - Структурная схема функционального генератора |
Имеется две различные возможности реализации схемы, отличающиеся способом интегрирования. В схеме на рис. 31 на входе интегратора устанавливается в зависимости от положения аналогового ключа постоянное напряжение +Ue или –Ue.
В схеме на рис. 32 токи +Ie и соответственно –Ie через аналоговый ключ заряжают конденсатор C. Вследствие этого формируется линейно изменяющийся во времени подъем и соответственно спад напряжения. Напряжение треугольной формы, выделяющееся на конденсаторе, как правило, нуждается в преобразователе полных сопротивлений. Преимущество этого метода состоит еще и в том, что для более высоких частот можно легче реализовать преобразователь полных сопротивлений и переключатель тока.
|
Рисунок 31 - Функциональный генератор с интегратором |
|
Рисунок 32 - Функциональный генератор с источником постоянного тока |
Практическая реализация
Самое простое применение рассмотренного на рис. 31 принципа построения генератора состоит в использовании в качестве входного напряжения интегратора выходного напряжения триггера Шмитта. Такая схема показана на рис. 33. Она характеризуется следующими основными характеристиками:
• частота:
• амплитуда:
Триггер Шмитта выдает постоянную величину выходного напряжения, которое интегрируется интегратором. Если его выходное напряжение превышает уровень срабатывания триггера Шмитта, последний немедленно переключается и изменяет знак UR. Вследствие этого изменение полярности напряжения на выходе интегратора в противоположном направлении приводит к переключению триггера в обратное состояние. Чтобы положительный и отрицательный уровни результирующего сигнала были одинаковой величины, компаратор должен обладать максимально симметричным выходным напряжением ±UR max. Тогда для колебаний треугольной формы их амплитуда составит:
Период колебаний должен быть равен четырехкратному отрезку времени, в течение которого интегратор изменяет выходное напряжение от нуля до Ufl
D. При этом он составит:
|
Рисунок 33 - Схема простого функционального генератора |
Пример практического использования принципа переключения тока (см. рис. 32) представлен на рис. 34. Генератор характеризуется следующими основными характеристиками:
• частота:
• амплитуда:
Управляемый переключатель тока состоит из транзисторов T1…T3. До тех пор пока управляющий сигнал имеет низкий уровень (x = L), конденсатор С будет разряжаться током I через транзистор T1. Когда напряжение треугольной формы преодолеет значение –1 В, опрокидывается прецизионный триггер Шмитта, реализованный по схеме, приведенной на рис. 6.44, и управляющий сигнал принимает высокий уровень (x = H). Вследствие этого T3 запирается, и генератор тока на транзисторе T2 включается. Он создает удвоенный ток через T1, а именно 2I. Конденсатор C заряжается током I без необходимости выключения транзистора T1. Когда напряжение треугольной формы превзойдет верхний уровень срабатывания
+1В, триггер Шмитта возвращается в состояние, при котором x = L, и конденсатор C будет снова разряжаться. Для реализации прецизионного триггера Шмитта предназначен двойной компаратор NE521 фирмы Signetics, так как оба уже содержат необходимые вентили. Кроме того, этот компаратор обладает малым временем переключения, всего около 8 нс, что дает возможность генерации частот вплоть до нескольких мегагерц. Преобразователь полных сопротивлений на рис. 32 необходим только тогда, когда нужно подавать напряжение треугольной формы на низкоомную нагрузку. Подключенные в схеме компараторы практически не искажают напряжение треугольной формы.
|
Рисунок 34 - Быстрый функциональный генератор с переключателем тока и компаратором высокой точности |
