Генератор сигналов: функциональный генератор своими руками. Генераторы сигнала пилообразной формы Самодельный функциональный генератор звуковой частоты

Низких частот предназначены для получения на выходе устройства периодических низкочастотных электрических сигналов с заданными параметрами (форма, амплитуда, частота сигнала).

КР1446УД1 (рис. 35.1) представляет собой сдвоенный гай- to-rail ОУ общего назначения. На основе этой микросхемы могут быть созданы устройства разнообразного назначения, в частности, электрических колебаний, которых приведены на рис. 35.2-35.4 . (рис. 35.2):

♦ одновременно и синхронно вырабатывает импульсы напряжения прямоугольной и пилообразной формы;

♦ имеет единую для обоих ОУ искусственную среднюю точку, образованную делителем напряжения R1 и R2 .

На первом из ОУ построен , на втором - Шмитта с широкой петлей гистерезиса (U raCT =U nHT ;R3/R5), точными и стабильными порогами переключения. Частота генерации определяется по формуле:

f =———– и составляет для указанных на схеме номиналах 265 Ги. С

Рис. 35.7. Цоколевка и состав микросхемы КР 7446УД7

Рис. 35.2. генератора прямоугольных- треугольных импульсов на микросхеме КР1446УД 7

изменением напряжения питания от 2,5 до 7 В эта частота изменяется не более чем на 1 %.

Усовершенствованный (рис. 35.3) вырабатывает импульсы прямоугольной формы, причем их частота от величины управляющего

Рис. 35.3. управляемого генератора прямоугольных импульсов

входного напряжения по закону

При изменении

входного напряжения от 0,1 до 3 В частота генерации линейно возрастает от 0,2 до 6 кГц .

Частота генерации генератора прямоугольных импульсов на микросхеме КР1446УД5 (рис. 35.4) линейно от величины приложенного управляющего напряжения и при R6=R7 определяется как:

5 В частота генерации линейно возрастает от 0 до 3700 Гц .

Рис. 35.4. генератора, управляемого напряжением

Так, при изменении входного напряжения от 0,1 до

На основе микросхем TDA7233D, используя в качестве единой основы базовый элемент, рис. 35.5, а, можно собрать достаточно мощные импульсов (), а также напряжения, рис. 35.5 .

Генератора (рис. 35.5, 6, верхняя) работает на частоте 1 кГц, которая определяется подбором элементов Rl, R2, Cl, С2. Емкость переходного конденсатора С задает тембр и громкость сигнала.

Генератора (рис. 35.5, б, нижняя), вырабатывает двухтональный сигал при условии индивидуального подбора емкости конденсатора С1 в каждом из использованных базовых элементов, например, 1000 и 1500 пФ.

Напряжения (рис. 35.5, в) работают на частоте около 13 кГц (емкость конденсатора С1 снижена до 100 пФ):

♦ верхний - вырабатывает отрищ гельное относительно общей шины напряжение;

♦ средний - вырабатывает удвоенное относительно напряжения питания положительное;

♦ нижний - вырабатывает в зависимости от коэффициента трансформации разнополярное равновеликое напряжение с гальванической (при необходимости) развязкой от источника питания.

Рис. 35.5. нештатного применения микросхем TDA7233D: а – базовый элемент; б - в качестве генераторов импульсов; в - в качестве преобразователей напряжения

При сборке преобразователей следует учитывать, что на диодах выпрямителей теряется заметная часть выходного напряжения. В этой связи в качестве VD1, VD2 рекомендуется использовать Шоттки. Ток нагрузки бестрансформаторных преобразователей может достигать 100-150 мА.

Прямоугольных импульсов (рис. 35.6) работает в диапазонах частот 60-600 Гц\ 0,06-6 кГц; 0,6-60 кГц . Для коррекции формы генерируемых сигналов может быть использована цепочка (нижняя часть рис. 35.6), подключаемая к точкам А и В устройства.

Охватив ОУ положительной обратной связью, нетрудно перевести устройство в режим генерации прямоугольных импульсов (рис. 35.7).

Импульсов с плавной перестройкой частоты (рис. 35.8) может быть выполнен на основе микросхемы DA1 . При использовании в качестве DA1 1/4 микросхемы LM339 регулировкой потенциометра R3 рабочая частота перестраивается в пределах 740- 2700 Гц (номинал емкости С1 в первоисточнике не указан). Исходная частота генерации определяется произведением C1R6.

Рис. 35.8. широкодиапазонного перестраиваемого генератора на основе компаратора

Рис. 35.7. генератора прямоугольных импульсов на частоту 200 Гц

Рис. 35.6. НЧ-генератора прямоугольных импульсов

На основе компараторов типа LM139, LM193 и им подобных могут быть собраны:

♦ прямоугольных импульсов с кварцевой стабилизацией (рис. 35.9);

♦ импульсов с электронной перестройкой .

Стабильных по частоте колебаний или так называемый «часовой» прямоугольных импульсов может быть выполнен на компараторе DAI LTC1441 (или ему подобном) по типовой схеме, представленной на рис. 35.10. Частота генерации задается кварцевым резонатором Ζ1 и составляет 32768 Гц. При использовании линейки делителей частоты на 2 на выходе делителей получают прямоугольные импульсы частотой 1 Гц. В небольших пределах рабочую частоту генератора можно понижать, подключая параллельно резонатору небольшой емкости.

Обычно в радиоэлектронных устройствах используют LC и RC- . Менее известны LR- , хотя на их основе могут быть созданы устройства с индуктивными датчиками,

Рис. 35.11. LR-генератора

Рис. 35.9. генератора импульсов на компараторе LM 7 93

Рис. 35.10. «часового» генератора импульсов

Обнаружители электропроводки, импульсов и т. д.

На рис. 35.11 приведена простого LR-геиератора прямоугольных импульсов, работающего в диапазоне частот 100 Гц - 10 кГц . В качестве индуктивности и для звукового

контроля работы генератора используется телефонный капсюль ТК-67. Перестройка частоты осуществляется потенциометром R3.

Работоспособен при изменении напряжения питания от 3 до 12,6 В. При понижении напряжения питания с 6 до 3-2,5 В верхняя частота генерации повышается с 10-11 кГц до 30-60 кГц.

Примечание.

Диапазон генерируемых частот может быть расширен до 7-1,3 МГц (для микросхемы ) при замене телефонного капсюля и резистора R5 на катушку индуктивности. В этом случае при отключении диодного ограничителя на выходе устройства можно получить сигналы, близкие к синусоиде. Стабильность частоты генерации устройства сопоставима со стабильностью RC-генераторов.

Звуковых сигналов (рис. 35.12) могут быть выполнены К538УНЗ . Для этого достаточно вход и выход микросхемы соединить конденсатором или его аналогом - пьезокерамическим капсюлем. В последнем случае капсюль выполняет также роль звукоизлучагеля.

Частоту генерации можно менять, подбирая емкость конденсатора. Параллельно или последовательно пьезокерамическому капсюлю для подбора оптимальной частоты генерации можно включить . Напряжение питания генераторов 6-9 В.

Рис. 35.72. звуковых частот на микросхеме

Для экспресс-проверки ОУ может быть использована генератора звуковых сигналов, представленная на рис. 35.13 . Тестируемую микросхему DA1 типа , у или иных, имеющих аналогичную цоколевку, вставляют в панельку, после чего включают питание. В случае, если исправна, пьезокерамический капсюль НА1 излучает звуковой сигнал.

Рис. 35.13. звукового генератора - испытателя ОУ

Рис. 35.14. генератора прямоугольных импульсов на ОУКР1438УН2

Рис. 35.15. генератора синусоидальных сигналов на ОУКР1438УН2

Сигналов прямоугольной формы на частоту 1 кГц, выполненный на микросхеме КР1438УН2, показан на рис. 35.14 . стабилизированных по амплитуде синусоидальных сигналов на частоту 1 кГц приведен на рис. 35.15 .

Генератора , вырабатывающего сигналы синусоидальной формы, представлена на рис. 35.16. Этот работает в диапазоне частот 1600-5800 Гц, хотя при частотах свыше 3 кГц форма сигнала все более отдаляется от идеала, а амплитуда выходного сигнала падает на 40 %. При десятикратном увеличении емкостей конденсаторов С1 и С2 полоса перестройки генератора с сохранением синусоидальной формы сигнала понижается до 170-640 Гц при неравномерности амплитуды до 10 %.

Рис. 35.7 7. генератора синусоидальных колебаний на частоту 400 Гц

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.

Luca Bruno, Италия

В широтно-импульсных модуляторах часто используются аналоговые генераторы пилообразного напряжения. Показанная на Рисунке 1 недорогая схема такого генератора может использоваться в маломощных приложениях на частотах до 10 МГц. Схема отличается хорошей линейностью рабочего хода и стабильностью частоты.

Схема сделана на одном инверторе с входным триггером Шмитта, работающем как модифицированный мультивибратор. Выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора C T , напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. R T C T заряжается постоянным напряжением, поэтому напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону и аппроксимировать его прямой линией можно лишь на начальном участке экспоненты.

Простейший способ улучшить линейность пилообразного напряжения - увеличить напряжение питания цепочки R T C T . Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C 1 с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем C T . Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D 1 до напряжения V CC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор C T разряжается через диод D 2 .

Когда спадающий фронт напряжения на C T достигнет нижнего порога V T − триггера Шмитта, на выходе инвертора установится высокий логический уровень. Начнется заряд конденсатора C 1 , и на катоде диода D 1 установится сумма напряжений на C 1 и на выходе инвертора. D 1 закроется, и цепь R T C T начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C 1 . В момент, когда напряжение на C T поднимется до верхнего порога V T + триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

Линейность «пилы» пропорциональна сумме напряжений питания V CC и V DD . Поскольку V DD равно +5 В, и фиксировано, улучшать линейность остается только за счет V CC . Оценить степень нелинейности рабочей области пилообразного напряжения можно с помощью следующего выражения:

E NL % - ошибка нелинейности в процентах,
M I - угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
M F - угол наклона рабочей области на конечном участке,

V F - прямое падение напряжения на диоде D 1 .

Постоянная времени R T C T определяет частоту пилообразного напряжения F O . Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда C T и любым разрядом C 1 , можно с помощью выражения:

K - константа, определяемая из следующего выражения:

Моделирование схемы со значениями C T =100 пФ и R T =2.2 кОм показывает, что нелинейность пилообразного напряжения равна

• 28% при V CC = V DD = 5 В,
• 18% при V CC = 10 В и V DD = 5 В,
• 14% при V CC = 15 В и V DD = 5 В.

Был собран макет схемы, в которой V DD =V CC =5 В, C T =100 пФ и R T =2.2 кОм. В качестве инвертора использовалась микросхема 74HC14 в стандартном корпусе DIP, имеющая задержку распространения 15 нс (против 4.4. нс у SN74LVC1G14 при напряжении питания 5 В). Измеренная частота равнялась приблизительно 12.7 МГц.

В качестве IC 1 можно использовать любой КМОП инвертор с триггером Шмитта на входе. Однако для повышения стабильности частоты следует выбирать микросхемы из наиболее быстродействующих семейств, с малым временем задержки распространения и большим выходным током. Вполне подойдет выпускаемый

Электронным генератором называют устройство для формирования незатухающих электрических колебаний различной формы, частоты и мощности. Очень часто генераторы выполняют на основе ОУ.

Мультивибратор

Мультивибратором называют генератор напряжения с формой, близкой прямоугольной. Его название отражает тот факт, что такое напряжение при разложении в ряд Фурье представляется рядом, содержащим много высших гармоник (мульти – много).

По характеристике ОУ (см. рис. 2.13, б) видно, что выходное напряжение усилителя линейно зависит от входного только в очень узком диапазоне – сотнях микровольт. Если входное напряжение выходит за пределы этого диапазона, то выходной сигнал может принимать только два значения: +UВЬ1Х (≈ +12 В) и -UВЬ1Х (≈ -12 В). На этой особенности операционного усилителя основан принцип формирования прямоугольного напряжения мультивибратора (рис. 2.20, а).

Рис. 2.20. Мультивибратор (а) и графики, поясняющие его работу (б)

Предположим, что в момент включения между входами усилителя небольшая (достаточно единиц милливольт) отрицательная разность потенциалов. При этом на выходе сформируется напряжение + UВЫХ, а на неинвертирующий вход с делителя R 1, R 2 будет подан положительный потенциал +U n. Конденсатор начнет заряжаться по цепи "Uвых–R3–С–корпус", стремясь достичь потенциала + Uвых. Потенциал на инвертирующем входе начнет расти до тех пор, пока не превысит потенциал на неинвертирующем входе +U D. В этот момент усилитель сформирует на выходе отрицательное напряжение -U выx и создаст на неинвертирующем входе отрицательный потенциал -U D. Теперь конденсатор начнет перезаряжаться, стремясь достичь потенциала -U выx. Однако как только потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала на неинвертирующем входе -U D, усилитель сформирует на выходе положительное напряжение +U выx. Такой скачкообразный процесс изменения выходного напряжения с +U вых до -U вых и обратно будет повторяться до тех нор, пока с операционного усилителя не будет снято питающее напряжение. Графики, демонстрирующие описанные процессы, показаны на рис. 2.20, б. Период Г-колебаний определяется постоянной времени заряда конденсатора τ = R 3C, а также тем, насколько потенциал, формируемый делителем R 1, R 2, меньше напряжения Uвых.

Генератор пилообразного напряжения

Напряжение на конденсаторе прямолинейно возрастает, если его заряжать постоянным током, не зависящим от напряжения на нем, и предотвратить влияние на этот ток сопротивления нагрузки, т.е. должно выполняться условие R н >>R. Интегрируя по времени выражение

Условие I c = const в схеме генератора пилообразного напряжения (ГПН) на основе ОУ (рис. 2.21, а) обеспечивается постоянным напряжением Uвх. Пока транзистор заперт, в течение времени t п происходит зарядка конденсатора и напряжение на нем нарастает по прямой. Усилитель, стремясь сделать разность потенциалов на его входах, близкой к нулю, формирует выходное напряжение, повторяющее напряжение на конденсаторе. При подаче импульса Uразр транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через него за время t разр, после чего процесс зарядки повторяется. Выходное напряжение схемы приобретает пилообразную форму, которая сохраняется до тех пор, пока значение напряжения располагается внутри диапазона от -Uвых до +Uвых.

В баллоне создается глубокий вакуум, необходи­мый для беспрепятственного пролета электронов. Электронный прожектор трубки состоит из катода, управляющего электрода и двух анодов и располага­ется в узкой удлиненной части баллона. Катод К изготовляется в виде небольшого никелевого ци­линдра, на торцевую часть которого наносится оксидный слой, испускающий при нагреве электроны. Катод заключен в управляющий электрод (модуля­тор) М также цилиндрической формы. В торце управляющего электрода имеется маленькое отверс­тие (диафрагма), через которое проходит электрон­ный луч. На управляющий электрод подается несколько десятков вольт отрицательного но отношению к катоду напряжения, с помощью которого регулируется яркость свечения пятна на экране трубки. Управляющий электрод действует подобно управляющей сетке электронной лампы. При некотором значении этого напряжения происходит запирание трубки, и светящееся пятно исчезает. Указанная регулировка выносится на переднюю па­нель осциллографа и снабжается надписью «Яр­кость».

Предварительная фокусировка электронного луча производится в пространстве между модулятором и первым анодом. Электрическое поле между этими электродами прижимает электроны к оси трубки и они сходятся в точку О на некотором расстоянии от управляющего электрода (рис. 33.2). Дальнейшая фо­кусировка луча выполняется системой двух анодов А 1 и А 2

Первый и второй аноды выполнены в виде открытых металлических цилиндров различных длин и диаметров, внутри которых на некотором расстоя­нии друг от друга расположены диафрагмы с небольшими отверстиями.

На аноды подается положительное ускоряющее напряжение (на первый

300-1000 В, на второй 1000-5000 В и более). Так как потенциал второго анода А 2 выше потенциала первого анода А 1 , то электрическое поле между ними будет направлено от второго анода к первому. Электроны, попавшие в такое электрическое поле, будут откло­няться им в направлении к оси трубки и получать ускорение в направлении движения к экрану. Таким образом, действие системы анодов эквивалентно действию оптической системы из собирательной и рассеиваю­щей линз. Поэтому фокусирующую систему анодов электронно-лучевой трубки иногда называют элект­ронно-статической линзой. Точная фокусировка луча производится изменением напряжения на первом аноде. Эта регулировка выносится на переднюю панель осциллографа и снабжается надписью «Фо­кус».

Сформированный электронный луч после второго анода попадает в пространство между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин Х 1 Х 2 и У 1 У 2 , называемых электростатической откло­няющей системой. Первая пара плас­тин Х 1 Х 2 , расположенных вертикально, вызывает отклонение луча в горизонтальном направлении. Пластины второй пары У 1 У 2 , расположенные гори­зонтально, вызывают отклонение луча в вертикаль­ном направлении. Когда к паре пластин подводится постоянное напряжение , то электронный луч отклоня­ется в сторону пластины, находящейся под положи­тельным потенциалом, что приводит к соответствую­щему перемещению светящегося пятна на экране.

Когда на пластины подается переменное напряже­ние, перемещение светящегося пятна по экрану образует светящиеся линии.

Экран Э электронно-лучевой трубки представляет собой стеклянную поверхность, покрытую с внутрен­ней стороны тонким слоем специального вещества (люминофора), способного светиться при бомбарди­ровке его электронами.

Для получения изображения на экране труб­ки исследуемое напряжение сигнала подают на вертикально отклоня­ющие пластины У 1 У 2 , а па пластины Х 1 Х 2 - пи­лообразное напряжение называемое напряже­нием развертки (рис. 33.3).

На участке АВ напряжение развертки линейно зависит от времени, и под действием этого напряжения световое пятно переме­щается по экрану трубки вдоль горизонтальной оси пропорционально времени. На участке ВС напряже­ние развертки резко падает, а световое пятно возвращается в исходное положение.

Если одновременно с напряжением развертки к пластинам У 1 У 2 подвести исследуемое синусоидаль­ное напряжение, то на экране трубки получится один период синусоиды (рис. 33.4).

Положения 0, 1, 2, ...светового пятна на экране трубки в соответствующие моменты времени опреде­ляются мгновенными значениями исследуемого и развертывающего напряжений.

Если период развертки Тр выбран кратным пе­риоду исследуемого напряжения, то осциллограммы, получаемые в последующие периоды, накладываются друг на друга и на экране наблюдается устойчивое и четкое изображение исследуемого процесса

Генератор пилообразного напряжения для варикапов.

При работе с высокочастотным генератором, перестраеваемым варикапом, потребовалось изготовить для него управляющий генератор пилообразного напряжения. Схем генераторов "пилы" существует великое множество, но ни одна из найденных не подошла, т.к. для управления варикапом требовался размах выходного напряжения в пределах 0 - 40В при питании от 5В. В результате раздумий получилась вот такая схема.

Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяестся резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел). Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится... микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а неинвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0. Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхро-импульса на выводе GP2 амплитудой 5В. Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и может изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 мГц. При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К - 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.
Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В. Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.
Генератор собран на плате размером 32х36 мм. Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы. При сборке следует в первую очередь установить микроконтроллер DD1. Затем к проводникам платы временно подпаивают провода от разъема программатора и загружают прилагаемую программу. Отладка программы производилась в среде MPLAB, для загрузки использовался программатор ICD2.

Хотя описанное устройство и решило поставленную задачу и поныне успешно работает в составе свип-генератора, для расширения его возможностей приведенная схема может рассматриваться скорее как идея. Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала. При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В (что было одним из требований к устройству). Для термостабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напяжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

Тема: Генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока.

Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (ГПИ).

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Генераторы линейно изменяющегося тока.

Литература:

Брамер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа,1985. (220 -237).

Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 249-261,267-271.

1. Общие сведения о генераторах пилообразных импульсов (гпи).

Напряжением пилообразной формы называется такое напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется по линейному закону (возрастает или убывает), а затем возвращается к исходному уровню.

Различают:

линейно-возрастающее напряжение;

линейно-падающее напряжение.

Генератор пилообразных импульсов - устройство, формирующее последовательность пилообразных импульсов.

Назначение генераторов пилообразных импульсов.

Предназначены для получения напряжения и тока, изменяющегося во времени по линейному закону.

Классификация генераторов пилообразных импульсов:

По элементной базе:

на транзисторах;

на лампах;

на интегральных микросхемах (в частности, на ОУ);

По назначению:

генераторы пилообразного напряжения (ГПН) (другое название - генераторы линейно изменяющегося напряжения - ГЛИН);

генераторы пилообразного тока (ГПТ) (другое название - генераторы линейно изменяющегося тока - ГЛИТ);

По способу включения коммутирующего элемента:

последовательная схема;

параллельная схема;

По способу повышения линейности формируемого напряжения:

с токостабилизирующим элементом;

компенсационного типа.

Устройство генераторов пилообразных импульсов:

В основе построения лежит электронный ключ, коммутирующий конденса­тор с заряда на разряд.

Принцип действия генераторов пилообразных импульсов.

Т.о., принцип получения возрастающего или падающего напряжения объясняется процессом заряда и разряда конденсатора (интегрирующего цепь). Но, т.к. поступление импульсов на интегрирующую цепь необходимо коммутировать, ис­пользуется транзисторный ключ .

Простейшие схемы генераторов пилообразных импульсов и их функционирование.

Схематично функционирование ГПИ выглядит следующим обра­зом:

Параллельная схема:

При размыкании электронного ключа конденсатор медленно, через сопротивление R заряжается до величины Е, формируя при этом пило­образный импульс. При замыкании электронного ключа конденсатор быстро разряжается через него.

Выходной импульс имеет следующую форму:

При смене полярности источника питания Е форма выходного сигнала будет симметрична относительно оси времени.

Последовательная схема:

При замыкании электронного ключа конденсатор быстро заряжается до величины источника питания Е, а при размыкании - разряжается через сопротивление R, формируя при этом линейно падающее напряжение пилообразной формы, которое имеет вид:

При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения U вых (t) изменится на линейно возрастающее напряжение.

Таким образом, видно (можно отметить как один из главных недостатков), что чем боль­ше амплитуда напряжения на конденсаторе, тем больше нелинейность импульса. Т.е. необходимо формиро­вать выходной импульс на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.

ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ - генератор линейно изменяющегося (тока), электронное устройство, формирующее периодич. напряжения (тока) пилообразной формы. Осн. назначение Г. п. н.- управление временной развёрткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. Г. п. н. применяют также в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов. Для получения пилообразного напряжения используют процесс (разряда) конденсатора в цепи с большой постоянной времени. Простейший Г. п. н. (рис. 1, а) состоит из интегрирующей цепи RC и транзистора, выполняющего функции ключа, управляемого периодич. импульсами. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор - эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 1, б). При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением - Е к - прямой (рабочий) ход. Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С , изменяется по закону. По окон чании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер - коллектор. Осн. характеристики Г. п. н.: амплитуда пилообразного напряжения, коэф. нелинейности и коэф. использования напряжения источника питания. При в данной схеме

Длительность прямого хода T р и частота пилообразного напряжения определяются длительностью и частотой коммутирующих импульсов.

Недостатком простейшего Г. п. н. является малый k E при малом. Требуемые значения е лежат в пределах 0,0140,1, причём наименьшие значения относятся к устройствам сравнения и задержки. Нелинейность пилообразного напряжения во время прямого хода возникает из-за уменьшения зарядного тока вследствие уменьшения разности напряжений. Приблизительного постоянства зарядного тока добиваются включением в цепь заряда нелинейного токостабилизирующего двухполюсника (содержащего транзистор или электронную лампу). В таких Г. п. н. и . В Г. п. н. с положит. обратной связью по напряжению выходное пилообразное напряжение подаётся в зарядную цепь в качестве компенсирующей эдс. При этом зарядный ток почти постоянен, что обеспечивает значения 1 и =0,0140,02. Г. п. н. используют для развёртки в электронно-лучевых трубках с эл--магн. отклонением луча. Чтобы получить линейное отклонение, необходимо линейное изменение тока в отклоняющих катушках. Для упрощённой эквивалентной схемы катушки (рис. 2, а) условие линейности тока выполняется при подаче на зажимы катушки трапецеидального напряжения. Такое трапецеидальное напряжение (рис. 2, б )можно получить в Г. п. н. при включении в зарядную цепь дополнит. сопротивления R д (показано на рис. 1, а пунктиром). Отклоняющие катушки потребляют большие токи, поэтому генератор трапецеидального напряжения дополняют усилителем мощности.