Функціональні генератори призначені для синхронного формування сигналів синусоїдальної, прямокутної і пилкоподібної форми в області частот, зазвичай не перевищує одиниць мегагерц.

Схема типового функціонального генератора

Функціональний генератор або генератор, здатний одночасно генерувати сигнали прямокутної і пилкоподібної форми, зазвичай складається з двох частин (рис. 36.1):

♦ неінвертірующего тригера Шмітта на мікросхемі DA1;

♦ інтегратора на мікросхемі DA2.

Інтегратор на мікросхемі DA2 інтегрує напруга, що знімається з виходу тригера Шмітта на мікросхемі DA1. Напруга на виході інтегратора наростає (прямий хід «пили»). Коли вихідна напруга інтегратора перевищить поріг перемикання тригера Шмітта, відбувається його стрибкоподібне перемикання, напруга на виході тригера змінить знак.

Напруга на виході інтегратора почне змінюватися у зворотний бік (спадаючий ділянку «пили»). Спад напруги відбувається до тих пір, поки це напругу не зрівняється з другим, нижнім, порогом спрацьовування тригера Шмітта. Відбудеться чергове його переключення, і процес буде періодично повторюватися.

Період генеруючих коливань можна обчислити з наближеного виразу

Примітка.

Таким чином, частота генеруючих сигналів прямо пропорційно ‘залежить від твору RC-елементів інтегруючого ланцюжка R3C1 і не залежить від напруги живлення. З виходів генератора можна одночасно знімати сигнали прямокутної і трикутної форми.

Кілька ускладнивши схему функціонального генератора, можна отримати на його виході сигнал і синусоїдальної форми. Зазвичай для

отримання такого сигналу використовують сигнал трикутної форми з його подальшою обробкою.

Рис. 36. Ί. Схема типового функціонального генератора (фрагмент)

Функціональний генератор за типовою схемою (рис. 36.2) виконаний двох операційних підсилювачах в однокорпусному виконанні

Рис. 36.2. Схема функціонального генератора

[36.1]. При З 1 = 4,7 нФ частота генерації – 30 кГц, при 0 = 47 нФ –

20 Гц. Напруга живлення генератора може варіюватися в межах 4,5-18 В.

Функціональний генератор (рис. 36.3) при зміні величини керуючої напруги в межах від 0,25 до 50 В синхронно змінює частоту вихідних сигналів прямокутної і пилкоподібної форми в межах від 700 Гц до 100 кГц [36.2].

Рис. 36.3. Схема широкодіапазонного функціонального генератора на основі компараторов LM 7 93

Регульований функціональний генератор (рис. 36.4) виконаний на трьох однакових операційних підсилювачах, наприклад, типу LM148, зібраних в одному корпусі для компактності [36.3]. Генератор здатний виробляти одночасно пилковидні і прямокутні імпульси, форму яких (А) і (В) можна східчасто змінювати, користуючись перемикачем S1. Співвідношення часів Т1 і Т2 визначається співвідношенням комутованих перемикачем S1 резисторів, наприклад, R: R / 100. Періоди часів Т1 і Т2 визначаються як T1 = 2RC і T2 = RC / 50.

Рис. 36.4. Схема регульованого функціонального генератора

Враховуючи високу актуальність функціональних генераторів, були створені спеціалізовані мікросхеми таких генераторів. Прикладом функціонального генератора є мікросхема ICL8038 фірми Harris Semiconductor.

Генератор, виконаний за типовою схемою включення (рис. 36.5), при варіюванні номіналів RC-елементів здатний працювати в діапазоні частота 0,001 Гц – 300 кГц. Спотворення форми синусоїдального сигналу трохи перевищують 1%. Ширину прямокутного (трикутного) імпульсу можна регулювати в межах 2-98%.

Рис. 36.5. Типове включення мікросхеми ICL8038 в якості функціонального генератора

Напруга живлення ± (5-15) В при двополярної харчуванні або 10-30 В – при однополярному. Споживаний мікросхемою струм не перевищує 20 мА (номінальний – 12 мА) при напрузі живлення ± 10 В. Амплітуда вихідного напруги трикутної форми на опорі навантаження 100 кОм досягає 1/3 від напруги живлення, для сигналу синусоїдальної форми – до 0,22 від напруги живлення.

Варіанти підключення зовнішніх елементів регулювання режиму роботи мікросхеми ICL8038 наведено на рис. 36.6.

При використанні мікросхеми ICL8038 (рис. 36.7) зручно

Рис. 36.6. Варіанти підключення резистивних елементів до мікросхеми ICL8038

Рис. 36.7. Варіант включення мікросхеми ICL8038 з частотною модуляцією генеруються сигналів

здійснювати частотну модуляцію генеруються сигналів. Використовуючи цю особливість мікросхеми нескладно створити генератор сигналів прямокутної, трикутної і синусоїдальної форми, одночасно керованих рівнем зовнішньої напруги.

Для зменшення спотворень сигналу синусоїдальної форми застосовують регулювання, передбачені схемним рішенням, представленим на рис. 36.8.

Рис. 36.8. Схема включення мікросхеми ICL8038 з мінімізацією спотворення сигналу синусоїдальної форми

Для того щоб підвищити навантажувальну здатність генератора використовують схему, показану на рис. 36.9. Використаний звичайний буферний каскад, який можна використовувати для кожного з виходів функціонального генератора. Опір навантаження визначається вибором

мікросхеми ОУ; для наведеного випадку опір навантаження не повинно бути менше 1 кОм.

Рис. 36.9. Схема функціонального генератора на мікросхемі ICL8038 з підвищеною здатністю навантаження для сигналу синусоїдальної форми

Рис. 36Л0. Схема функціонального генератора на мікросхемі ICL8038 з регулюванням частоти від 20 Гц до 20 кГц

Практична схема широкодіапазонного функціонального генератора, перекриває весь діапазон звукових частот, наведена на рис. 36.10. Потенціометром R7 мінімізують спотворення сигналу синусоїдальної форми. Потенціометр R3 призначений для регулювання співвідношення імпульс / пауза (або симетрії) генеруються сигналів. Потенціометром R10 регулюють частоту генеруючих сигналів.

Аддитивний формувач сигналів трикутної форми

Електричні сигнали трикутної форми зазвичай отримують при використанні зарядно-розрядних процесів в RC-ланцюжках. У роботах [36.4-36.6] описаний і проаналізований [36.7] принцип формування сигналів трикутної форми шляхом протівофазного складання випрямлених з використанням двухполуперіодних випрямлячів сигналів синусоїдальної форми, зсунутих між собою на кут 90 °. Нижче наведено варіант практичної реалізації перебудованого за частотою генератора сигналів трикутної форми, що використовує даний принцип синтезу.

На мікросхемах DA1-DA3 зібраний LR-генератор сигналів синусоїдальної форми, з виходів якого знімаються зсунуті по фазі на кут 90 ° сигнали (точки А і В). Ці сигнали подаються на входи двох прецизійних випрямлячів, виконаних на мікросхемах DA4, DA5 і DA6, DA7, відповідно. Сигнали з виходів випрямлячів (точки С і D) змішуються на резистивном сумматоре-дільнику напруги R13, R15, R16 (точка Е). Вихідний сигнал (точка Е) має трикутну форму з відхиленням від лінійності до 3%.

Робоча частота генератора визначається номіналами частотозадающіх ланцюгів – индуктивностей LI, L2, здвоєного потенціометра R9, R10 і резисторів R7, R8. Для зазначених номіналів діапазон частоти перебудови становить 3300-4000 Гц.

Ступінчасто змінити частотний діапазон роботи можна перемиканням котушок індуктивності LI, L2. При розширенні діапазону перебудови шляхом подальшої зміни співвідношення елементів

Рис. 36.11. Схема беземкостного перебудовується генератора сигналів трикутної форми

R7 / R9 = R8 / R10 стає помітною виражена залежність амплітуди вихідного сигналу від частоти. Для виключення цього недоліку необхідно або звузити діапазон перебудови генератора, або використовувати проміжні підсилювачі з автоматичним регулюванням посилення.

Функціональний генератор інверсного побудови

При створенні функціональних генераторів традиційно використовують генератор прямокутних імпульсів, до виходу якого підключають формирователь трикутного напруги, заснований на зарядно-розрядних процесах. Потім сигнал трикутної форми перетворять на подобу синусоидального, виділяючи з неї першу гармоніку [36.8]. Недоліки таких схемних рішень очевидні: це явно виражена нелінійність зарядноразрядних процесів, особливо помітна при перебудові частоти генератора і помітні спотворення синусоїдального сигналу в результаті неякісної фільтрації вищих гармонік складного сигналу.

Нижче описаний функціональний генератор, формування сигналів в якому відбувається в зворотній послідовності. Спочатку формується сигнал синусоїдальної форми, який потім перетвориться в сигнал трикутної форми [36.4-36.6], а з останнього отримують біполярний сигнал прямокутної форми [36.9].

Практична схема інверсного функціонального генератора представлена ​​на рис. 36.12. Пристрій містить генератор сигналів синусоїдальної форми (мікросхеми DA1-DA3), що виробляє сигнали, зсунуті по фазі на 90 °. Ці сигнали подаються на подвоювач частоти С. І. Семенова [36.5] – прецизійні двухполуперіодні випрямлячі (мікросхеми DA4, DA5 і DA9, DA10), вихідні сигнали яких складаються в протифазі, формуючи тим самим сигнал трикутної форми. Сигнал трикутної форми надходить потім на схему формування біполярних імпульсів прямокутної форми (мікросхеми DA6-DA8).

Діаграми сигналів в різних точках пристрою показані на рис. 36.12.

Генератор працює в діапазоні частот: для сигналів синусоїдальної форми – 50-500 Гц, для сигналів трикутної і прямокутної форми (з подвоєнням вихідної частоти) – 100-1000 Гц. Робочу частоту плавно змінюють перебудовою здвоєного потенціометра R9, R10. Ступінчасте перемикання діапазону частот, що генеруються аж до субгерцових може бути забезпечено перемиканням частотозадающіх конденсаторів С2 і СЗ. Так, при зменшенні ємностей конденсаторів С2 і СЗ в 10 разів, т. Е. До 3,3 нФ, діапазон частот, що генеруються становить 1000-10000 Гц по Пилкоподібня і прямокутному сигналам; за синусоїдальним – 500-5000 Гц.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.