Генераторы импульсов. Генератор синусоидального сигнала
Генераторы низкой частоты (ГНЧ) используют для получения незатухающих периодических колебаний электрического тока в диапазоне частот от долей Гц до десятков кГц. Такие генераторы, как правило, представляют собой усилители, охваченные положительной обратной связью (рис. 11.7,11.8) через фазосдви-гающие цепочки. Для осуществления этой связи и для возбуждения генератора необходимы следующие условия: сигнал с выхода усилителя должен поступать на вход со сдвигом по фазе 360 градусов (или кратном ему, т.е. О, 720, 1080 и т.д. градусов), а сам усилитель должен иметь некоторый запас коэффициента усиления, KycMIN. Поскольку условие оптимального сдвига фаз для возникновения генерации может выполняться только на одной частоте, именно на этой частоте и возбуждается усилитель с положительной обратной связью.
Для сдвига сигнала по фазе используют RC- и LC-цепи, кроме того, сам усилитель вносит в сигнал фазовый сдвиг. Для получения положительной обратной связи в генераторах (рис. 11.1, 11.7, 11.9) использован двойной Т-образный RC-мост; в генераторах (рис. 11.2, 11.8, 11.10) — мост Вина; в генераторах (рис. 11.3 — 11.6, 11.11 — 11.15) — фазосдвигающие RC-це-почки. В генераторах с RC-цепочками число звеньев может быть достаточно большим. На практике же для упрощения схемы число не превышает двух, трех.
Расчетные формулы и соотношения для определения основных характеристик RC-генераторов сигналов синусоидальной формы приведены в таблице 11.1. Для простоты расчета и упрощения подбора деталей использованы элементы с одинаковыми номиналами. Для вычисления частоты генерации (в Гц) в формулы подставляют значения сопротивлений, выраженные в Омах, емкостей — в Фарадах. Для примера, определим частоту генерации RC-генератора с использованием трехзвенной RC-це-пи положительной обратной связи (рис. 11.5). При R=8,2 кОм; С=5100 пФ (5,1х1СГ9 Ф) рабочая частота генератора будет равна 9326 Гц.
Таблица 11.1
Для того чтобы соотношение резистивно-емкостных элементов генераторов соответствовало расчетным значениям, крайне желательно, чтобы входные и выходные цепи усилителя, охваченного петлей положительной обратной связи, не шунтировали эти элементы, не влияли на их величину. В этой связи для построения генераторных схем целесообразно использовать каскады усиления, имеющие высокое входное и низкое выходное сопротивления.
На рис. 11.7, 11.9 приведены «теоретическая» и несложная практическая схемы генераторов с использованием двойного Т-моста в цепи положительной обратной связи.
Генераторы с мостом Вина показаны на рис. 11.8, 11.10 [Р 1/88-34]. В качестве УНЧ использован двухкаскадный усилитель. Амплитуду выходного сигнала можно регулировать потенциометром R6. Если требуется создать генератор с мостом Вина, перестраиваемый по частоте, последовательно с резисторами R1, R2 (рис. 11.2, 11.8) включают сдвоенный потенциометр. Частотой такого генератора можно также управлять, заменив конденсаторы С1 и С2 (рис. 11.2, 11.8) на сдвоенный конденсатор переменной емкости. Поскольку максимальная емкость такого конденсатора редко превышает 500 пФ, удается перестраивать частоту генерации только в области достаточно высоких частот (десятки, сотни кГц). Стабильность частоты генерации в этом диапазоне невысока.
На практике для изменения частоты генерации подобных устройств часто используют переключаемые наборы конденсаторов или резисторов, а во входных цепях применяют полевые транзисторы. Во всех приводимых схемах отсутствуют элементы стабилизации выходного напряжения (для упрощения), хотя для генераторов, работающих на одной частоте или в узком диапазоне ее перестройки, их использование не обязательно.
Схемы генераторов синусоидальных сигналов с использованием трехзвенных фазосдвигающих RC-цепочек (рис. 11.3)
показаны на рис. 11.11, 11.12. Генератор (рис. 11.11) работает на частоте 400 Гц [Р 4/80-43]. Каждый из элементов трехзвен-ной фазосдвигающей RC-цепочки вносит фазовый сдвиг на 60 градусов, при четырехзвенной — 45 градусов. Однокаскадный усилитель (рис. 11.12), выполненный по схеме с общим эмиттером, вносит необходимый для возникновения генерации фазовый сдвиг на 180 градусов. Заметим, что генератор по схеме на рис. 11.12 работоспособен при использовании транзистора с высоким коэффициентом передачи по току (обычно свыше 45...60). При значительном снижении напряжения питания и неоптимальном выборе элементов для задания режима транзистора по постоянному току генерация сорвется.
Звуковые генераторы (рис. 11.13 — 11.15) близки по построению к генераторам с фазосдвигающими RC-цепочками [Рл 10/96-27]. Однако за счет использования индуктивности (телефонный капсюль ТК-67 или ТМ-2В) вместо одного из ре-зистивных элементов фазосдвигающей цепочки, они работают с меньшим числом элементов и в большем диапазоне изменения напряжения питания.
Так, звуковой генератор (рис. 11.13) работоспособен при изменении напряжения питания в пределах 1...15 В (потребляемый ток 2...60 мА). При этом частота генерации изменяется от 1 кГц (ипит=1,5 В) до 1,3 кГц при 15 В.
Звуковой индикатор с внешним управлением (рис. 11.14) также работает при 1)пит=1...15 В; включение/выключение генератора производится подачей на его вход логических уровней единицы/нуля, которые также должны быть в пределах 1...15 В.
Звуковой генератор может быть выполнен и по другой схеме (рис. 11.15). Частота его генерации меняется от 740 Гц (ток потребления 1,2 мА, напряжение питания 1,5 В) до 3,3 кГц (6,2 мА и 15 В). Более стабильна частота генерации при изменении напряжения питания в пределах 3...11 В — она составляет 1,7 кГц± 1%. Фактически этот генератор выполнен уже не на RC-, а на LC-эле-ментах, причем, в качестве индуктивности используется обмотка телефонного капсюля.
Низкочастотный генератор синусоидальных колебаний (рис. 11.16) собран по характерной для LC-генераторов схеме «емкостной трехточки». Отличие заключается в том, что в качестве индуктивности использована катушка телефонного капсюля, а резонансная частота находится в диапазоне звуковых колебаний за счет подбора емкостных элементов схемы.
Другой низкочастотный LC-генератор, выполненный по каскодной схеме, показан на рис. 11.17 [Р 1/88-51]. В качестве индуктивности можно воспользоваться универсальной или стирающей головками от магнитофонов, обмотками дросселей или трансформаторов.
RC-генератор (рис. 11.18) реализован на полевых транзисторах [Рл 10/96-27]. Подобная схема используется обычно при построении высокостабильных LC-генераторов. Генерация возникает уже при напряжении питания, превышающем 1 В. При изменении напряжения с 2 до 10 6 частота генерации понижается с 1,1 кГц до 660 Гц, а потребляемый ток увеличивается, соответственно, с 4 до 11 мА. Импульсы частотой от единиц Гц до 70 кГц и выше могут быть получены изменением емкости конденсатора С1 (от 150 пФ до 10 мкФ) и сопротивления резистора R2.
Представленные выше звуковые генераторы могут быть использованы в качестве экономичных индикаторов состояния (включено/выключено) узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности, светоизлучающих диодов, для замены или дублирования световой индикации, для аварийной и тревожной индикации и т.д.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год
Генератор синусоидальных сигналов частотой от 1 Гц до 40 МГц с регулировкой уровня выходного сигнала и встроенным измерителем уровня выходного сигнала (Up/p), а также с режимом генератора качающейся частоты (ГКЧ) с произвольным выбором границ в диапазоне от 1 Гц до 40 МГц
Предлагаю наборы для сборки генератора (GEN) синусоидальных сигналов 1 Гц - 40 МГц с режимом генераторы качающейся частоты (ГКЧ/WOB), дополнительным выходом пилообразного напряжения для синхронизации осциллографа, а также выходом 0/5 В прямоугольных импульсов с частотой качания генератора. Данное устройство разработал польский радиолюбитель Adam Sobczyk (SQ5RWQ). Данная конструкция была опубликована в журнале ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA .
Устройство собрано с применением готового модуля DDS синтезатора AD9850, что значительно упрощает монтаж. Причём использоваться могут оба существующих в продаже модуля DDS AD9850. Конструктивно устройство состоит из двух печатных плат - основной и контроллера. На основной плате установлены разъёмы для платы контроллера, разъёмы для модулей синтезаторов (одновременно может использоваться только одна плата синтезатора), контактные штыри для внешних подключений, винтовой клеммник подачи питания, собраны стабилизаторы питающих напряжений +5В и +9В, в также широкополосный усилитель ВЧ сигнала. На плате контроллера установлен двухстрочный ЖКИ дисплей, энкодер выбора режимов работы и настройки, переменный резистор регулировки уровня выходного сигнала.
Выбор режима работы GEN - генератор или WOB - Wobbulator/ГКЧ выбирается при включении прибора нажатием и удержанием кнопки энкодера. При появлении приветственного меню нужно нажать кнопку энкодера и дождаться появления меню в котором вращением энкодера нужно выбрать режим GEN или WOB и затем подтвержить выбор нажатием на кнопку энкодера. В следующем меню аналогично выбирается режим работы цифрового выхода прямоугольных импульсов 0-5 В, т.е. вращением энкодера выбирается режим ON или OFF и нажатием на кнопку энкодера подтверждается выбор. Выбранные режимы будут сохраняться в энергонезависимой памяти при последующих включениях. Чтобы выбрать другой режим работы нужно обесточить прибор и снова подать напряжение, войти в меню выбора режимов работы и выбрать нужный режим. В режиме генератора шаг перестройки изменяется по кругу нажатием на кнопку энкодера. В режиме ГКЧ нажатием на кнопку энкодера выбирается активный пункт меню - напротив активного (который можно изменять в данный момент) в данный момент параметра светится звёздочка "*". При вращении энкодера значение выбранного параметра будет изменяться. Переключение между параметрами подлежащим изменению происходит по кругу. Прибор находится в режиме генерации колебаний когда на экране нет звёздочки, т.е. все параметры выбраны.
Схема принципиальная платы управления/индикации приведена ниже, а также
Принципиальная схема основной платы приведена ниже, а также
Прибор работает в двух режимах:
1) Генератор синусоидальных сигналов частотой 1 Гц - 40 МГц
2) Генератор качающейся частоты с диапазоном качания синусоидального сигнала от 1 Гц - 40 МГц.
В первом режиме на дисплее отображается частота выходного сигнала с точностью до 1 Гц, выбранный шаг перестройки частоты (выбирается нажатием на кнопку встроенную в энкодер, т.е. нажатием на ручку энкодера) и уровень выходного напряжения в Вольтах от пика до пика - Up/p. Шаг перестройки выбирается по кругу из сетки частот 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц нажатием на кнопку энкодера. Уровень выходного напряжения практически совпадает с показаниями осциллографа, частота выходного сигнала соответствует точно. Уровень выходного сигнала с повышением частоты уменьшается, это обусловлено особенностью работы самой AD9850. На низких частотах выходное напряжение для различных модулей DDS составляет порядка 4 Вольт и уменьшается до 1 Вольта на частоте 40 МГц. Точнее, с чистой синусоидой на выходе, у меня получилось так:
40 МГц - Up/p=0,89 В
35 МГц - Up/p=1,18 В
30 МГц - Up/p=1,67 В
25 МГц - Up/p=2,09 В
20 МГц - Up/p=2,38 В
15 МГц - Up/p=2,62 В
10 МГц - Up/p=2,99 В
5 МГц - Up/p=3,37 В
1 МГц - Up/p=3,66 В
Затем практически без изменений до 30 Гц и потом с плавным снижением до Up/p=2,08 В на частоте 5 Гц и до Up/p=0,86 В на частоте 1 Гц.
Во втором режиме на дисплее отображается частота колебаний, шаг перестройки частоты, нижняя и верхняя границы колебания частоты генератора. Выбор и изменение параметров выполняется энкодером по аналогии с первым режимом работы - нажатием и вращением ручки энкодера. Частота колебаний выбирается от 1 Гц до 40 МГц с шагом 1 Гц, шаг перестройки по кругу из сетки частот 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц, верхняя и нижняя частота колебаний от 1 Гц до 40 МГц, при этом сначала выставляется верхняя граница, а затем нижняя, поскольку есть программное ограничение - нижняя частота всегда меньше либо равна верхней.
Правильно собранное устройство из исправных:) деталей начинает работать сразу. До установки платы индикации/контроллера и модуля AD9850, подайте питающее напряжение на основную плату и проверьте наличие питающих напряжений +9 В и +5 В после стабилизаторов 7809 и 7805 соответственно. Затем проверьте уровни напряжений на выводах транзисторов широкополосного усилителя мощности. Напряжения должны быть такими: Q1 (коллектор - 6,65 В; эмиттер - 1,4 В; база - 2,1 В), Q2 (эмиттер - 7,37 В; коллектор - 2,5 В), Q3 (коллектор - 5,47 В; эмиттер - 1,74 В). При необходимости, подстроечным резистором на плате модуля AD9850 необходимо выставить скважность прямоугольных импульсов на выходе генератора равной 2 (коэффициент заполнения 0,5), т.е. меандр.
Платы разработаны для возможности установки в стандартный пластиковый корпус КМ-60, но в идеале, конечно же, применить металлический корпус:)
Стоимости печатных плат и наборов для сборки такие:
Стоимость комплекта из двух печатных плат (основная 140х90 мм и индикации 115х45 мм) с маской и маркировкой - 300 грн.
Если кому то нужен, отдельно запрограммированный микроконтроллер - 85 грн.
Стоимость набора для сборки генератора (запограммированный микроконтроллер с панелькой, печатные платы и все компоненты для них, включая стойки, винты, шайбы, гайки, радиаторы, энкодер, переменный резистор, ручки регуляторов, ЖКИ дисплей 16х2) без учёта модуля AD9850 - 830 грн.
Стоимость собранных и проверенных плат генератора (основная и плата контроллера/индикации) без учёта модуля AD9850 - 1200 грн.
Модуль генератора-синтезатора частоты AD9850 - 650 грн. (кладу в комплект такой, какой есть в наличии, если тип принципиален, то оговаривайте заранее, я разницы в работе плат разных типов не увидел). Данный генератор выполнен на базе микросхемы AD9850 фирмы Analog Devices, представляющей собой полный DDS (Direct Digital Synthesis) синтезатор частоты с встроенным компаратором. Такие синтезаторы уникальны своей точностью, практически не подвержены температурному дрейфу и старению.
Обнаружен небольшой "глюк", скорее всего программный - подтормаживает энкодер при вращении. Мне не мешает, но лучше от этого избавиться. Думаю, всё разрешится:) Плюсы прибора перекрывают его минусы:) Я сколько искал, не нашёл настолько простого и адекватного прибора...
Простой аналоговый функциональный генератор (0,1 Гц - 8 МГц). Статья перепечатана с сайта .
У радиолюбителей заслуженной популярностью пользуется микросхема MAX038, на основе которой можно собрать несложный функциональный генератор, перекрывающий полосу частот 0,1 Гц - 20 МГц. Преобрести микросхему MAX038 стало проще простого, как это сделать указано . Появившиеся клоны MAX038 имеют по сравнению с ней весьма скромные параметры. Так, у ICL8038 максимальная рабочая частота составляет 300 кГц, а у XR2206 - 1 МГц. Встречающиеся в радиолюбительской литературе схемы простых аналоговых функциональных генераторов также имеют максимальную частоту в несколько десятков, и очень редко, сотен кГц.
Для вашего внимания предложена схема аналогового функционального генератора, формируюего сигналы синусоидальной, прямоугольной, треугольной формы и работающий в диапазоне частот от 0,1 Гц до 8 МГц.
Вид спереди:
Вид сзади:
Генератор имеет следующие параметры:
амплитуда выходных сигналов:
синусоидальный……………………………1,4 В;
прямоугольный……………………………..2,0 В;
треугольный………………………………...2,0 В;
диапазоны частот:
0,1…1 Гц;
1…10 Гц;
10…100 Гц;
100…1000 Гц;
1…10 кГц;
10…100 кГц;
100…1000 кГц;
1…10 МГц;
напряжение питание………………………….220 В, 50 Гц.
За основу разработанной схемы функционального генератора, приведенной ниже, была взята схема из :
Генератор выполнен по классической схеме: интегратор + компаратор, только собран на высокочастотных компонентах.
Интегратор собран на ОУ DA1 AD8038AR, имеющем полосу пропускания 350 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 425 В/мкс. На DD1.1, DD1.2 выполнен компаратор. Прямоугольные импульсы с выхода компаратора (выв. 6 DD1.2) поступают на инвертирующий вход интегратора. На VT1 выполнен эмиттерный повторитель, с которого снимаются импульсы треугольной формы, управляющие компаратором. Переключателем SA1 выбирают требуемый диапазон частот, потенциометр R1 служит для плавной регулировки частоты. Подстроечным резистором R15 устанавливается режим работы генератора и регулируется амплитуда треугольного напряжения. Подстроечным резистором R17 регулируется постоянная составляющая треугольного напряжения. С эмиттера VT1 напряжение треугольной формы поступает на переключатель SA2 и на формирователь синусоидального напряжения, выполненный на VT2, VD1, VD2. Подстроечным резистором R6 выставляются минимальные искажения синусоиды, а подстроечным резистором R12 регулируется симметрия синусоидального напряжения. С целью уменьшения коэффициента гармоник верхушки треугольного сигнала ограничиваются цепями VD3, R9, C14, C16 и VD4, R10, C15, C17. С буфера DD1.4 снимаются импульсы прямоугольной формы. Сигнал, выбранный переключателем SA2, подаётся на потенциометр R19 (амплитуда), а с него - на выходной усилитель DA5, выполненный на AD8038AR. На элементах R24, R25, SA3 выполнен выходной аттенюатор напряжения 1:1 / 1:10.
Для питания генератора использован классический трансформаторный источник с линейными стабилизаторами, формирующими напряжения +5В, ±6В и ±3 В.
Для индикации частоты генератора была использована часть схемы от уже готового частотомера, взятая из :
На транзисторе VT3 выполнен усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, с выхода которого сигнал поступает на вход микроконтроллера DD2 PIC16F84A. МК тактируется от кварцевого резонатора ZQ1 на 4 МГц. Кнопкой SB1 выбирается по кольцу цена младшего разряда 10, 1 или 0.1 Гц и соответствующее время измерения 0.1, 1 и 10 сек. В качестве индикатора использован WH1602D-TMI-CT с белыми символами на синем фоне. Правда угол обзора у этого индикатора оказался 6:00, что не соответствовало его установке в корпус с углом обзора 12:00. Но эта неприятность была устранена, как будет описано ниже. Резистор R31 задаёт ток подсветки, а резистором R28 регулируется оптимальная контрастность. Следует отметить, что программа для МК была написана автором для индикаторов типа DV-16210, DV-16230, DV-16236, DV-16244, DV-16252 фирмы DataVision, у которых процедура начальной инициализации по-видимому не подходит к индикаторам WH1602 фирмы WinStar. В результате после сборки частотомера на индикатор ничего не выводилось. Других малогабаритных индикаторов в продаже на тот момент не было, поэтому пришлось вносить изменения в исходник программы частотомера. Попутно в ходе экспериментов была выявлена такая комбинация в процедуре инициализации, при которой двухстрочный дисплей с углом обзора 6:00 становился однострочным, причём достаточно комфортно читаемым при угле обзора 12:00. Выводимые в нижней строке надписи-подсказки о режиме работы частотомера стали не видны, но они особо и не нужны, т.к. дополнительные функции этого частотомера не использованы.
Конструктивно функциональный генератор выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 110х133 мм, разработанной под стандартный пластиковый корпус Z4. Индикатор установлен на палате вертикально на двух уголках. С основной платой он соединён при помощи шлейфа с разъёмом под IDC-16. Для соединения высокочастотных цепей в схеме использован тонкий экранированный кабель. Вот фото генератора со снятой верхней крышкой корпуса:
После первого включения генератора необходимо проконтролировать питающие напряжения, а также установить подстроечным резистором R29 напряжение -3В на выходе DA7 LM337L. Резистором R28 устанавливается оптимальная контрастность индикатора. Для настройки генератора необходимо подключить осциллограф к его выходу, переключатель SA3 установить в положение 1:1, SA2 - в положение, соответствующее напряжению треугольной формы, SA1 - в положение 100…1000 Гц. Резистором R15 добиваются устойчивой генерации сигнала. Переместив движок резистора R1 в нижнее по схеме положение, подстроечным резистором R17 добиваются симметричности треугольного сигнала относительно нуля. Далее переключатель SA2 необходимо перевести в положение, соответствующее синусоидальной форме выходного сигнала, и подстроечными резисторами R12 и R6 добиться соответственно симметричности и минимальных искажений синусоиды.
Вот что получилось в итоге:
Меандр 1 Мгц: Меандр 4 Мгц: Треугольник 1 Мгц:
Треугольник 1 Мгц: Синус 8 Мгц:
Следует отметить, что на частотах свыше 4 Мгц на треугольном и прямоугольном сигналах начинают наблюдаться искажения, связанные с недостаточной полосой пропускания выходного усилителя. При желании этот недостаток можно легко устранить, если перенести усилитель выходного каскада DA5 в цепь от истока VT2 к SA2, т.е. использовать его как усилитель синусоидального сигнала, а вместо выходного усилителя применить повторитель на ещё одном ОУ AD8038AR, пересчитав соответственно сопротивления делителей треугольного (R18, R36) и прямоугольного (R21, R35) сигналов на меньший коэффициент деления.
Файлы:
Литература:
1) Широкодиапазонный функциональный генератор. А.Ишутинов. Радио №1/1987г.
2) Экономичный многофункциональный частотомер. А.Шарыпов. Радио №10-2002.
Генератор – это автоколебательная система, формирующая импульсы электрического тока, в которой транзистор играет роль коммутирующего элемента. Изначально, с момента изобретения, транзистор позиционировался как усилительный элемент. Презентация первого транзистора произошла в 1947 году. Презентация полевого транзистора произошла несколько позже – в 1953 г. В генераторах импульсов он играет роль переключателя и только в генераторах переменного тока он реализует свои усилительные свойства, одновременно участвуя в создании положительной обратной связи для поддержки колебательного процесса.
Наглядная иллюстрация деления частотного диапазона
Классификация
Транзисторные генераторы имеют несколько классификаций:
- по диапазону частот выходного сигнала;
- по типу выходного сигнала;
- по принципу действия.
Диапазон частот – величина субъективная, но для стандартизации принято такое деление частотного диапазона:
- от 30 Гц до 300 кГц – низкая частота (НЧ);
- от 300 кГц до 3 МГц – средняя частота (СЧ);
- от 3 МГц до 300 МГц – высокая частота (ВЧ);
- выше 300 МГц – сверхвысокая частота (СВЧ).
Таково деление частотного диапазона в области радиоволн. Существует звуковой диапазон частот (ЗЧ) – от 16 Гц до 22 кГц. Таким образом, желая подчеркнуть диапазон частот генератора, его называют, например ВЧ или НЧ генератором. Частоты звукового диапазона в свою очередь также подразделяются на ВЧ, СЧ и НЧ.
По типу выходного сигнала генераторы могут быть:
- синусоидальные – для генерации синусоидальных сигналов;
- функциональные – для автоколебания сигналов специальной формы. Частный случай – генератор прямоугольных импульсов ;
- генераторы шума – генераторы широкого спектра частот, у которых в заданном диапазоне частот спектр сигнала равномерный от нижнего до верхнего участка частотной характеристики.
По принципу действия генераторов:
- RC-генераторы;
- LC-генераторы;
- Блокинг-генераторы – формирователь коротких импульсов.
Ввиду принципиальных ограничений обычно RC-генераторы используются в НЧ и звуковом диапазоне, а LC-генераторы в ВЧ диапазоне частот.
Схемотехника генераторов
RC и LC генераторы синусоидальные
Наиболее просто реализуется генератор на транзисторе в схеме емкостной трехточки – генератор Колпитца (рис. ниже).
Схема генератора на транзисторе (генератор Колпитца)
В схеме Колпитца элементы (C1), (C2), (L) являются частотозадающими. Остальные элементы представляют собой стандартную обвязку транзистора для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току. Такой же простой схемотехникой обладает генератор, собранный по схеме индуктивной трехточки – генератор Хартли (рис. ниже).
Схема трехточечного генератора с индуктивной связью (генератор Хартли)
В этой схеме частота генератора определяется параллельным контуром, в который входят элементы (C), (La), (Lb). Конденсатор (С) необходим для образования положительной обратной связи по переменному току.
Практическая реализация такого генератора более затруднительна, поскольку требует наличия индуктивности с отводом.
И тот и другой генераторы автоколебания находят преимущественно применение в СЧ и ВЧ диапазонах в качестве генераторов несущих частот, в частотозадающих цепях гетеродинов и так далее. Регенераторы радиоприемников также основаны на генераторах колебаний. Указанное применение требует высокой стабильности частоты, поэтому практически всегда схема дополняется кварцевым резонатором колебаний.
Задающий генератор тока на основе кварцевого резонатора имеет автоколебания с очень высокой точностью установки значения частоты ВЧ генератора. Миллиардные доли процента далеко не предел. Регенераторы радиостанций используют только кварцевую стабилизацию частоты.
Работа генераторов в области низкочастотного тока и звуковой частоты связана с трудностями реализации высоких значений индуктивности. Если быть точнее, то в габаритах необходимой катушки индуктивности.
Схема генератора Пирса является модификацией схемы Колпитца, реализованной без применения индуктивности (рис. ниже).
Схема генератора Пирса без применения индуктивности
В схеме Пирса индуктивность заменена кварцевым резонатором, что позволило избавиться от трудоемкой и громоздкой катушки индуктивности и, в то же время, ограничило верхний диапазон колебаний.
Конденсатор (С3) не пропускает постоянную составляющую базового смещения транзистора на кварцевый резонатор. Такой генератор может формировать колебания до 25 МГц, в том числе и звуковой частоты.
Работа всех вышеперечисленных генераторов основана на резонансных свойствах колебательной системы, составленной из емкости и индуктивности. Соответственно, частота колебаний определяется номиналами этих элементов.
RC генераторы тока используют принцип фазового сдвига в резистивно-емкостной цепи. Наиболее часто применяется схема с фазосдвигающей цепочкой (рис. ниже).
Схема RC генератора с фазосдвигающей цепочкой
Элементы (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) выполняют сдвиг фазы для получения положительной обратной связи, необходимой для возникновения автоколебаний. Генерация возникает на частотах, для которых фазовый сдвиг оптимален (180 гр). Фазосдвигающая цепь вносит сильное ослабление сигнала, поэтому такая схема имеет повышенные требования к коэффициенту усиления транзистора. Менее требовательна к параметрам транзистора схема с мостом Вина (рис. ниже).
Схема RC генератора с мостом Вина
Двойной Т-образный мост Вина состоит из элементов (C1), (C2), (R3) и (R1), (R2), (C3) и представляет собой узкополосный заграждающий фильтр, настроенный на частоту генерации. Для всех остальных частот транзистор охвачен глубокой отрицательной связью.
Функциональные генераторы тока
Функциональные генераторы предназначены для формирования последовательности импульсов определенной формы (форму описывает некая функция – отсюда и название). Наиболее часто встречаются генераторы прямоугольных (если отношение длительности импульса к периоду колебаний составляет ½, то такая последовательность называется «меандр»), треугольных и пилообразных импульсов. Самый простой генератор прямоугольных импульсов – мультивибратор, подается как первая схема начинающих радиолюбителей для сборки своими руками (рис. ниже).
Схема мультивибратора – генератора прямоугольных импульсов
Особенностью мультивибратора является то, что в нем можно использовать практически любые транзисторы. Длительность импульсов и пауз между ними определяется номиналами конденсаторов и резисторов в базовых цепях транзисторов (Rb1), Cb1) и (Rb2), (Cb2).
Частота автоколебания тока может изменяться от единиц герц до десятков килогерц. ВЧ автоколебания на мультивибраторе реализовать невозможно.
Генераторы треугольных (пилообразных) импульсов, как правило, строятся на основе генераторов прямоугольных импульсов (задающий генератор) путем добавления корректирующей цепочки (рис. ниже).
Схема генератора треугольных импульсов
Форма импульсов, близкая к треугольной, определяется напряжением заряда-разряда на обкладках конденсатора С.
Блокинг-генератор
Предназначение блокинг-генераторов состоит в формировании мощных импульсов тока, имеющих крутые фронты и малую скважность. Длительность пауз между импульсами намного больше длительности самих импульсов. Блокинг-генераторы находят применение в формирователях импульсов, сравнивающих устройствах, но основная область применения – задающий генератор строчной развертки в устройствах отображения информации на основе электронно-лучевых трубок. Также блокинг-генераторы с успехом применяются в устройствах преобразования электроэнергии.
Генераторы на полевых транзисторах
Особенностью полевых транзисторов является очень высокое входное сопротивление, порядок которого соизмерим с сопротивлением электронных ламп. Перечисленные выше схемотехнические решения универсальны, просто они адаптированы под использование различных типов активных элементов. Генераторы Колпитца, Хартли и другие, выполненные на полевом транзисторе, отличаются только номиналами элементов.
Частотозадающие цепи имеют те же соотношения. Для генерирования ВЧ колебаний несколько предпочтительнее простой генератор, выполненный на полевом транзисторе по схеме индуктивной трехточки. Дело в том, что полевой транзистор, имея высокое входное сопротивление, практически не оказывает шунтирующее действие на индуктивность, а, следовательно, работать высокочастотный генератор будет стабильнее.
Генераторы шума
Особенностью генераторов шума является равномерность частотной характеристики в определенном диапазоне, то есть амплитуда колебаний всех частот, входящих в заданный диапазон, является одинаковой. Генераторы шума находят применение в измерительной аппаратуре для оценки частотных характеристик проверяемого тракта. Генераторы шума звукового диапазона часто дополняются корректором частотной характеристики с целью адаптации под субъективную громкость для человеческого слуха. Такой шум называется «серым».
Видео
До сих пор существует несколько областей, в которых применение транзисторов затруднено. Это мощные генераторы СВЧ диапазона в радиолокации, и там, где требуется получение особо мощных импульсов высокой частоты. Пока еще не разработаны мощные транзисторы СВЧ диапазона. Во всех других областях подавляющее большинство генераторов выполняется исключительно на транзисторах. Причин этому несколько. Во-первых, габариты. Во-вторых, потребляемая мощность. В-третьих, надежность. Вдобавок ко всему, транзисторы из-за особенностей своей структуры очень просто поддаются миниатюризации.
Генератор различных стабильных частот является необходимым лабораторным оборудованием. В интернете есть немало схем, но они либо морально устарели, либо не обеспечивают достаточно широкого перекрытия частот. Устройство, описываемое здесь, основано на высоком качестве работы специализированной микросхемы XR2206 . Диапазон перекрываемых генератором частот впечатляет: 1 Гц - 1 МГц! XR2206 способна генерировать качественные синусоидальные, прямоугольные и треугольные формы сигналов высокой точности и стабильности. У выходных сигналов может быть как амплитудная и частотная модуляция.
Параметры генератора
Синусоидальный сигнал:
Амплитуда: 0 - 3В при питании 9В
- Искажения: менее 1% (1 кГц)
- Неравномерность: +0,05 дБ 1 Гц - 100 кГц
Прямоугольный сигнал:
Амплитуда: 8В при питании 9В
- Время нарастания: менее 50 нс (при 1 кГц)
- Время спада: менее 30 нс (на 1 кГц)
- Рассимметрия: менее 5% (1 кГц)
Треугольный сигнал:
Амплитуда: 0 - 3 В при питании 9 В
- Нелинейность: менее 1% (до 100 кГц)
Схемы и ПП
Рисунки печатных плат
Грубая регулировка частоты осуществляется с помощью 4-х позиционного переключателя для частотных диапазонов; (1) 1 Гц-100 Гц, (2) 100 Гц-20 кГц, (3) 20 кГц-1 МГц (4) 150 кГц-1 МГц. Несмотря на то, что в схеме указан верхний предел 3 мегагерца, гарантированная предельная частота составляет именно 1 Мгц, далее генерируемый сигнал может быть менее стабильным.