Разработка генератора сигнала специальной формы

На вход интегратора  подаются попеременно попеременно (при помощи электронного коммутатора (ЭК)) напряжения или токи разной полярности, которые и определяют времена заряда и разряда конденсатора интегратора.

Если не учитывать  частотную модуляцию для времен заряда и разряда конденсатора токами I_з и I_p , можно записать идеализированные выражения:

 

 

11

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

Реализация ЭК представляется удобной в виде мостовой схемы на выпрямительных диодах с малыми обратными токами. Также приветствуются малые напряжения в открытом состоянии, малые пороговые напряжения и высокое быстродействия. Поэтому, наилучшими в данной схеме являются диоды Шоттки.

Различаются две  основные структурные схемы электронно-управляемых  генераторов. В первой (рис. 2.3) применяется  блок управления частотой с преобразователем напряжения в напряжение (БУЧ-ПНН). В  этом случае ЭК соединяется с входом интегратора.

Рис. 2.3

Во второй же (рис. 2.4) применяется блок управления частотой с преобразователем напряжения в ток (БУЧ-ПНТ). При этом функции интегратора исполняет конденсатор с одной из заземленных обкладок. Для снятия с конденсатора пилообразного напряжения приходится использовать буферный усилитель (БУ) с большим значением входного сопротивления и хорошими частотными свойствами.

Теоретические расчеты  и практические опыты показали, что  структурная схема на рис 2.4 имеет  явные преимущества: упрощается коммутация конденсатора (что важно учитывать  при разработки многодиапазонного функционального генератора), меньше искажения

12

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

треугольных импульсов  в области вершин, на порядок выше (при той же элементной базе) максимальная частота генерации.

Рис. 2.4 

УС-31

Разработка функционального  генератора

 

Разработка функциональных блоков

 

 

Белоусов А.В.

№Документа

Кулабухов Р.И.

Разработал

Проверил

Принял

Подпись

Дата

Лист

Изм

Лист

13

Литера

15

Листов

Разработка  функциональных блоков

3. Преобразователь «Треугольник – синус»

Формирование  из треугольного сигнала синусоидального  является одной из основных и самых трудных задач при построении функциональных генераторов. Простой ограничитель, типа показанного на рис. 3.1, создает заметно (даже на глаз) искаженное синусоидальное напряжение. Это связано с тем, что ограничение происходит по логарифмическому закону, который сильно отличается от синусоидального. Намного лучшие результаты дает применение преобразователя на полевом транзисторе (рис. 3.2). Тут используется то обстоятельство, что начальный участок выходной ВАХ полевого транзистора похож на вид синусоидальной кривой в первом и третьем квадрантах. Однако и в этой схеме выходной сигнал не идеально синусоидальный и коэффициент гармоник доходит до долей процента лишь в тщательно оптимизированной и отрегулированной схеме, размещаемой в микротермостате. Фактически формирователь может быть одноквадрантным, поскольку должен воспроизводить четверть периода синусоидальной функции (остальные четверти можно получить из первой четверти периода с помощью не очень сложных схем). Для этого вполне подходят диодные 4-5-уровневые ограничители напряжения, которые широко использовались еще в старых аналоговых ЭВМ.

 

14

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1. Простой  ограничитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Формирователь синусоидального сигнала из треугольного на полевом транзисторе

 

 

Даже в наши дни уровень развития нелинейных преобразователей не позволяет получить синусоидальное напряжение с коэффициентом  гармоник много меньше 1% в достаточно широком диапазоне частот – от долей Гц до нескольких МГц.

На рисунке 3.3 показана схема 5-уровнего ограничителя треугольного сигнала, которая при  тщательном подборе параметров компонентов может обеспечить значение коэффициента гармоник намного меньше 1%.

 

15

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.3. Формирователь синусоидального сигнала из треугольного с 5-уровневым ограничителем

 

Как видно из схемы, такой формирователь является достаточно простым (нежели, чем диодные функциональные преобразователи с диодно-резистивными цепями), чем и объясняется его  использование. Основная особенность  – использование стоковой характеристики от нулевого напряжения до напряжения отсечки. Используемый участок стоковой характеристики ПТ по виду очень близок к функции y = a sin x на интервале 0..π/2. Симметричность выходного напряжения синусоидальной формы обеспечивается симметричностью прямого и инверсного включения ПТ относительно истока и стока. В рассматриваемой схеме диоды и резисторы переключают выходной сигнал от истока к стоку и наоборот, по мере перехода через нуль выходного сигнала

 

16

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

треугольной формы, проще говоря – на каждом полупериоде. Результат, полученный при помощи компьютерного моделирования схемы формирователя, изображен на рис. 3.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.4. Результат работы модели формирователя

 

 

2. Разработка релаксатора

 

Релаксатор –  автоколебательная система –  составляет основу любого ФГ. Общие требования, предъявляемые к релаксаторам, состоят в следующем: широкий диапазон рабочих частот, малая погрешность установки частоты, точное воспроизведение форм сигналов, возможность точной установки постоянной составляющей и симметрии длительности полуволн, получение на выходах релаксатора сигналов требуемого уровня при работе на заданную нагрузку. В состав релаксатора входят: интегратор, релейный элемент, электронный переключатель и блок управления частотой.

С выхода И снимается сигнал треугольной формы, а с выхода РЭ – прямоугольной (Рис. 3.5). Два управляющих напряжения (+U₀ и –U₀) с БУЧ поступают на диагональ «вг» диодного моста (ЭК). Роль интегратора здесь

 

17

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

играет ИОУ, элементы интегратора С и R которого коммутируются при переключении частотных поддиапазонов. Релаксатор работает следующим образом. Когда отсутствует сигнал РЭ, потенциал в точке «б» моста равен нулю благодаря точному равенству напряжений +-U₀ и обоих сопротивлений R_и, а также идентичности ВАХ попарно подобранных диодов моста. С появлением в точке «а» положительного сигнала РЭ диод Д₁ запирается, а через Д₃ положительный перепад запирает Д_4. При этом С_и заряжается через верхний резистор и второй диод от положительного напряжения, а отрицательное напряжение проходит через нижний резистор и диоды Д₃, Д₁₀  на землю (Д₉ и Д₁₀ составляют двухполярный ограничитель амплитуды сигнала РЭ). При смене знака сигнала РЭ конденсатор интегратора перезаряжается через нижний резистор и Д₄ от источника питания отрицательной полярности, а положительный – наоборот, проходит на землю. Следовательно, в кольцо релаксатора поочередно «включаются» источники +U₀ и –U₀, а сигнал РЭ прямоугольной формы играет роль коммутирующего сигнала, т.е. его амплитуда непосредственно не влияет на частоту генератора. Обычно амплитуда сигнала РЭ составляет 2..5 В, но цепочкой диодов она ограничивается до 0.5…0.7 В. Такой вполне сигнал допустим для подачи на вход усилителя мощности.

В ЭК приветствуется использование диодов с высоким  быстродействием и минимальной  ёмкостью p-n-перехода, что бы ключевые свойства были близки к идеальным. Таким требованиям удовлетворяют диоды Шотки.

 

 

 

 

 

 

 

 

18

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.5. Релаксатор

 

3. Блок управления частотой.

 

В функциональных генераторах с частотой свыше 1 МГц  применяются двухполярные ПНТ, которые должны иметь высокие выходные сопротивления и крутизну преобразования, малые погрешность преобразования и коэффициент температурной нестабильности. Кроме того, они должны обладать широкими пределами изменения и высокой степенью симметрии выходных токов в каналах.

Двухканальный ПНТ представлен на рисунке 3.6. Входной сигнал от потенциометра R_f поступает на входной ОУ₁ подается на ОУ₂ – фазоинвертор, сигнал с которого поступает на инвентирующий вход промежуточной ячейки ПНТ (ОУ₃ , Т₁), играющей роль каскада переноса уровня регулирования в верхнем канале. Сигнал с этого каскада подается на выходную ячейку ПНТ (ОУ₅ Т₃ Т₅). Нижний канал (ОУ₄, Т₂, и ОУ₆, Т₄, Т₆) построен аналогичным образом, но не содержит фазоинвертора. В эмиттерах 5 и 6 транзисторов сменные

 

19

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

токозадающие резисторы R₀. Емкость интегратора С_и также сменная.

Из рис. 3.6 видно, что питание ОУ выходных ячеек (5 и 6-й ОУ) осуществлено с «перекосом», т.е. ассиметрично (+Е₃ и земля, -Е₄ и земля). Это обеспечивает более широкий диапазон значений i_вых, чем при симметричном питании, что весьма важно широкодиапазонных ФГ.

 Для создания высокого входного сопротивления  ПНТ в качестве ОУ₁.....ОУ₆ использованы ОУ типа 544УД1, представляющего собой гибридную микросхему с выходным ДУ на ПТ. Поскольку его входной ток весьма мал, в рассматриваемом ПНТ есть возможность точного преобразования «напряжение-ток» вплоть до десятков наноампер (нижнее значение). Погрешность преобразования составляет примерно 0.5% в диапазоне изменения выходных токов 600 нА… 6 мА и 1.5% в диапазоне изменения 60… 600 нА. Выходное сопротивление ПНТ – не менее 120 Мом. В верхнем канале использованы транзисторы 2Т368А (Т1), 2П103Д (Т3), 2Т363А (Т5), а в нижнем – 2Т368А (Т2), 2П303Е (Т4), 2Т368А (Т6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 3.6 БУЧ-ПНТ 

 

20

Лист

Разработка функционального  генератора

 

№Документа

Подпись

Дата

Лист

Изм

Расчет  усилителя мощности

 

 

 

Рис. 3.7. Усилитель мощности

 

Для  усиления сигнала  по мощности выберем двухполярный усилитель 3-х каскадов (рис 9):

1. дифференциальный каскад (к₁);
2. каскад ОЭ (к₂);
3. двухтактный эмитерный повторитель (к₃).

Входной сигнал, подаваемый на усилитель мощности, имеет амплитуду 7.1 В. Требуется получить сигнал с амплитудой 30В и током нагрузки 1А.