Функциональные генераторы.

Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рисунке.

Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжения и блок формирования синусоидального сигнала.

Блок-схема функционального генератора

Генератор прямоугольного и треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта и интегратора, образующих замкнутый контур. Блок формирования синусоидального сигнала обычно представляет собой нелинейный функциональный преобразователь, например на основе аналогового перемножителя. Если частота генератора постоянна, то в качестве блока формирования синусоидального сигнала можно использовать также фильтр нижних частот с верхней граничной частотой полосы пропускания, лежащей несколько выше частоты треугольного колебания. Задача фильтра пропустить только первую гармонику спектра сигнала треугольной формы.

Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде интегральных микросхем. Например, микросхема МАХ038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот 0.1 Гц...20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0.75%.

Аналоговые перемножители.

Перемножители являются одними из самых распространенных функциональных узлов современных аналоговых устройств и, помимо перемножения двух сигналов, позволяют также возводить входной сигнал в квадрат, извлекать квадратный корень, выполнять операцию деления одного сигнала на другой. На перемножителях выполняются схемы, управляемые напряжением, например фильтры, генераторы сигналов и т. д. По принципу действия схемы перемножителей можно разделить на следующие группы:

• перемножители с управляемым сопротивлением канала полевого транзистора;

• перемножители на основе управляемого источника тока;

• логарифмирующие-антилогарифмирующие перемножители;

• импульсные перемножители (метод временного разделения);

• перемножители на основе цифроаналогового преобразователя.

Перемножитель с управляемым сопротивлением канала полевого транзистора.

Схема служит только иллюстрацией рассматриваемого принципа.

Перемножитель на основе полевого транзистора с управляемым сопротивлением канала

При напряжениях сток-исток, лежащих ниже напряжения точки перегиба выходной характеристики, т.е не превышающих 0.5 В, полевой транзистор ведет себя как управляемый резистор, сопротивление которого приблизительно обратно пропорционально напряжению затвор-исток. Следовательно, схему можно рассматривать как усилитель с входным напряжением V_X, коэффициент передачи которого приближенно пропорционален V_Y; в результате происходит перемножение напряжений V_X и V_Y. Схема имеет много недостатков, например, очень плохую линейность, т. к. отношение V_X к V_OUT нелинейно зависит от V_Y. Кроме того, характеристики полевого транзистора сильно зависят от температуры, что вызывает значительные погрешности при ее изменениях. Наконец, диапазон входных напряжений V_X и V_Y ограничен: - 0.5 В < V_X ^< +0-5 В и —0.5 В < V_Y < 0 В. Даже при тщательном проектировании погрешность таких перемножителей составляет несколько процентов.

Перемножители на основе управляемых источников тока.

Упрощенная схема перемножителя, реализующего этот метод представлена на следующем рисунке.

Схема перемножителя на основе управляемого источника тока

благодаря применению токового зеркала (согласованные транзисторы VT₃, и VT₄) и источника тока на транзисторе VT₅.

Приведенная схема имеет ограниченное практическое применение из-за свойственных ей серьезных недостатков. Во-первых, для того, чтобы искажения не превышали 1% необходимо соблюдать условие |V_X| < 9 мВ. Во-вторых, коэффициент передачи перемножителя зависит от температуры. В-третьих, для того, чтобы схема работала правильно, напряжение V_Y должно быть только положительным, в то время как V_X может иметь любой знак. Такой перемножитель называется двухквадрантным. Выпускаемые промышленностью четырехквадрантные перемножители на основе управляемых источников тока имеют значительно более сложную внутреннюю структуру. Примерами могут служить: классический AD534 фирмы Analog Devices, имеющий погрешность перемножения не более 0.1 % в диапазоне входных сигналов ± 10 В и частотном диапазоне до 10 МГц, и MPY632A фирмы Burr-Brown (отечественный аналог — 525ПСЗ), имеющие погрешность перемножения не более 1% при диапазоне входных сигналов ±10 В и частотном диапазоне до 1 МГц. Блок-схема этих перемножителей приведена на рисунке.

Блок-схема перемножителя (V_масш — масштабирующее напряжение)

Связь между входными и выходным сигналами этих микросхем устанавливается соотношением:

Микросхемы можно использовать и как умножитель а), и как делитель б).

Варианты включения перемножителей:

а — аналоговый умножитель; б — аналоговый делитель

При включении микросхемы умножителем а) справедливы следующие соотношения:

При включении делителем б) можно записать:

Последнее соотношение обеспечивает отрицательный знак обратной связи в перемножителе.

Аналоговые перемножители могут использоваться и для выполнения иных математических операций над сигналами, таких, как возведение в квадрат, извлечение квадратного корня и др. Очень удобна для этих целей четырехканальная ИМС фирмы Analog Devices MLT04, имеющая типичную погрешность линейности 0.2% в полосе частот 8 МГц.