Контрольные вопросы

1. При каких условиях возможно формирование незатухающих гармонических колебаний в генераторе?

2. Какая роль в генераторе сигналов отводится частотно-зависимой цепи и элементу обратной связи?

3. Что является причиной нестабильности амплитуды и частоты формируемых сигналов?

4. Влияет ли на стабильность частоты формируемого гармонического сигнала добротность частотно-зависимой цепи?

5. Перечислите способы повышения стабильности амплитуды и частоты генератора сигналов.

6. Чем обусловлен частотный диапазон использования LC-контуров, RC-цепочек и кварцевых резонаторов в генераторах гармонических сигналов?

7. Как влияют параметры усилителя на характеристики формируемого сигнала?

Тема 7. Генераторы линейно-изменяющихся сигналов.

Классификация генераторов линейно-изменяющихся сигналов. Основные характеристики генераторов. Пути построения генераторов. Генератор пилообразного напряжения с отрицательной и положительной обратными связями. Генератор сигналов треугольной формы.

Генератор сигналов треугольной формы. Наиболее простой способ получения сигналов треугольной формы основан на интегрировании сигнала прямоугольной формы. Этот способ используется в схеме генератора, приведенной на рис. 6.1, а. Усилитель представляет собой инвертирующий интегратор со схемой смещения начального уровня, задаваемого потенциометром . Элементы интегратора и обеспечивают необходимую постоянную времени интегрирования  = . Выходное напряжение интегратора определяться соотношением = – /( ), где – напряжение смещения, задаваемое потенциометром ; – напряжение стабилизации двухполярного стабилитрона VD; – текущее время (время интегрирования). Варьирование номинала сопротивления обеспечивает изменение постоянной времени интегрирования  и угла наклона линейно изменяющегося напряжения.

Операционный усилитель используется в качестве компаратора. Сопротивление обеспечивает задание напряжения , с которым сравнивается выходное напряжение интегратора . Выходной сигнал ОУ в режиме компаратора имеет два уровня + и – , которые определяются уровнями насыщения операционного усилителя. Состояния определяются условием:

если > , то = + ;

если < , то = – ,

где и – напряжения соответственно на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ , = .

Изменение угла наклона линейно изменяющегося напряжения влияет на момент времени срабатывания компаратора , а следовательно, будет определять частоту следования импульсов треугольной формы. Двухполярный стабилитрон VD предназначен для формирования стабильных по напряжению уровней напряжения   =  = взамен уровней + и – , которые подвержены температурному дрейфу и существенно зависят от напряжений питания операционного усилителя +Е и –Е.

Падение напряжения на сопротивлении R₁ будет постоянным и равным . Использование глубокой отрицательной обратной связи в приводит к тому, что ток заряда конденсатора С будет постоянным. Это вызовет линейное изменение выходного напряжения ОУ: = = t/C, где = – / – ток заряда конденсатора С.

А₁

Рис. 6.1. Генератор сигналов треугольной формы:

а – функциональная схема; б – временные диаграммы работы устройства

Сигнал с выхода ОУ через потенциометр подается на неинвертирующий вход ОУ . Сопротивления и образуют потенциометрический делитель напряжения, задающий напряжение на неинвертирующем входе ОУ :

= ( – ) /( + ).

Резистор устанавливает коэффициент деления сигнала и поэтому задает амплитуду сигнала треугольной формы (рис. 6.1, б). Симметрия выходного сигнала относительно нулевого уровня обеспечивается подстройкой потенциометра .

Для пояснения работы схемы рассмотрим один цикл ее функционирования. Допустим, что ОУ находится в состоянии = + . В этом случае на стабилитроне VD будет напряжение + . Сопротивление задает необходимый ток стабилизации стабилитрона VD: = ( –

– )/ . Ток, протекающий через сопротивление , равен току заряда конденсатора С, так как входное сопротивление ОУ достаточно велико. Так как в ОУ используется глубокая отрицательная обратная связь, то 

  0 и = . Выходное напряжение ОУ является линейно убывающим, поэтому на неинвертирующем входе ОУ также появится линейно убывающее напряжение , которое будет изменяться от уровня ( + ) /( + ) до уровня = = E (  2 )/ , где – часть сопротивления , определяемая положением его подвижного электрода. Как видно из приведенного соотношения, напряжение сравнения может изменяться в диапазоне от + E до –E. При достижении напряжением уровня компаратор изменит свое состояние. На его выходе установится напряжение = – , а на стабилитроне VD – напряжение . Это напряжение изменит направление тока заряда конденсатора С и вызовет появление линейно нарастающего напряжения на выходе ОУ . Это напряжение будет нарастать до тех пор, пока напряжение на неинвертирующем входе не достигнет уровня сравнения = .

Таким образом, в зависимости от состояния компаратора на входе интегратора А₂ с помощью стабилитрона VD будет задано напряжение амплитудой либо + , либо – . В зависимости от полярности этого напряжения конденсатор С будет либо заряжаться, либо разряжаться постоянным током, что вызовет на выходе ОУ появление линейно нарастающего либо линейно убывающего напряжения .

Генератор пилообразного напряжения. Для генерации сигналов пилообразного напряжения можно использовать ранее рассмотренную схему, несколько модернизировав ее. Функциональная схема такого генератора представлена на рис. 6.2, а. Отличие этой схемы от ранее рассмотренной заключается в обеспечении различных токов заряда и разряда конденсатора С, что приводит к изменению угла наклона линейно нарастающего и линейно убывающего участков сигнала треугольной формы. Линейно нарастающий участок сигнала формируется за счет тока заряда конденсатора, обусловленного источником питания –Е. Значение тока задается резистором : = Е/ . Ток разряда будет протекать, когда ОУ окажется в состоянии =

= + . В этом случае на стабилитроне VD₁ установится напряжение + , диод VD₂ будет открыт. Сопротивление задает ток , который в сумме равен току разряда конденсатора С и току, протекающему через сопротивление . Если обеспечить условие << , то ток будет значительно больше тока и практически равен току разряда :

<< = /  .

Во всем остальном схема работает аналогично схеме генератора сигналов треугольной формы. Управлять симметрией здесь не требуется, так как предполагается, что выходной сигнал асимметричен. Если конденсатор С разряжается через недостаточно быстро (из-за ограниченности выходного тока ОУ ), для увеличения угла наклона обратного участка пилообразного напряжения можно использовать транзисторный усилитель по схеме с общим коллектором, который необходимо подключить к выходу ОУ . Такой усилитель в  раз усилит выходной ток ОУ ( – коэффициент усиления тока базы). Амплитуда пилообразного сигнала (напряжение размаха) будет определяться соотношением = 2 (1/К – 1), где К – коэффициент деления (обратной связи), определяемый сопротивлениями и .

Идея обеспечения различных токов заряда-разряда конденсатора С для изменения угла наклона нарастающего и ниспадающего участков пилообразного напряжения позволяет предложить и другие модификации схемы генератора. Например, если вместо симметричного двухполярного стабилитрона VD₁ использовать два стабилитрона и , включенных разнополярно, то токи заряда-разряда конденсатора С будут определяться сопротивлением и напряжениями стабилизации + и – стабилитронов и .

Рис. 6.2. Генератор линейных пилообразных сигналов:

а – функциональная схема; б – временные диаграммы работы устройства

Во всех рассмотренных ранее схемах генераторов пилообразного напряжения и сигналов треугольной формы компаратор на ОУ совместно со стабилитроном VD₁ формирует импульсы заданной амплитуды и длительности, которые подаются на вход интегратора. Можно предложить различные модификации генераторов линейно изменяющегося напряжения, состоящих

из генераторов импульсов (автоколебательного мультивибратора, блокинг-генератора) и интегратора со сбросом. Скважность таких формируемых импульсов должна быть больше 10, чтобы импульсы малой длительности обеспечивали бы быстрый разряд конденсатора интегратора через цепь электронного ключа, замыкающего электроды конденсатора.