18.4. Генераторы сигналов специальной формы (функциональные генераторы)

Из изложенного выше следует, что при формировании низкочастотных синусоидальных колебаний почти всегда необходимо применять цепи стабилизации амплитуды выходного, напряжения. Генерация переменного напряжения треугольной формы осуществляется по более простой схеме с помощью интегратора и триггера Шмитта. В свою очередь, используя описанный в разд. 11.7.4 блок формирования синусоидальной функции, из треугольного напряжения можно получить синусоидальное. Так как этим методом можно получить одновременно треугольное, прямоугольное и синусоидальное напряжения, работающие пo этому принципу генераторы могут быть названы функциональными. Блок-схема такого генератора изображена на рис. 18.25.

Рис. 18.25. Блок-схема функционального генератора.

18.4.1 ПРОСТОЙ ГЕНЕРАТОР ТРЕУГОЛЬНОГО И ПРЯМОУГОЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЙ

Как показано на рис. 18.26, генератор треугольного и прямоугольного напряжений состоит из последовательно включенных интегратора и триггера Шмитта.

Интегратор интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера Шмитта скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта. Изменяя постоянную интегрирования, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения. Амплитуда треугольного напряжения U₂ зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта.

В соответствии с изложенным в разд. 17.6.2 она составляет

где U_макс- граница насыщения операционного усилителя ОУ 1. Период колебаний равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменялось от -U_D до +U_D. Отсюда следует

Таким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня границы насыщения Uмакс операционного усилителя.

Если к стабильности амплитуды треугольного напряжения предъявляются высокие требования, то простейший триггер Шмитта, выполненный на базе неинвертирующего усилителя, следует заменить одной из рассмотренных в разд. 17.6.3 прецизионных схем.

18.4.2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА

В функциональных генераторах модуляцию частоты выходного напряжения можно обеспечить относительно простыми методами. Для этого последовательно с триггером Шмитта включают аналоговый коммутатор. Рис. 18.27 иллюстрирует такой подход. В генераторе использована схема коммутатора по рис. 17.14. В зависимости от полярности выходного сигнала триггера Шмитта на вход интегратора поступает напряжение Ue или –Uе. При этом скорость нарастания напряжения U_D на выходе интегратора равна

В соответствии с изложенным в разд. 17.6.1 выходное напряжение триггера Шмитта скачком меняет знак, когда треугольное напряжение u_d достигает значения ±[R₁/(R₁+R₂)]Uмакс. Отсюда для частоты колебаний выходного напряжения получим

Таким образом, эта частота пропорциональна входному напряжению Ue. Поэтому такая схема является преобразователем напряжения в частоту. Если величину Ue задавать как

то получим линейную частотную модуляцию выходного напряжения.

Рис. 18.27. Функциональный генератор с аналоговым коммутатором на операционном усилителе.

Рис. 18.28. Функциональный генератор с транзисторным аналоговым коммутатором.

При необходимости обеспечения высокой стабильности амплитуды и частоты сигнала вместо триггера. Шмитта на базе операционного усилителя ОУ 3 следует использовать одну из описанных в разд. 17.6.3 прецизионных схем.

Изображенный на рис. 18.27 аналоговый коммутатор может работать только на относительно невысоких частотах. Для частот свыше 10 кГц лучше использовать транзисторные коммутаторы (рис. 18.28). В зависимости от состояния триггера Шмитта через транзисторы T₁ и T₂ на вход интегратора подается напряжение + Ue или —Ue. Как было показано в разд. 17.2.3, должно выполняться условие Ue<Uмакс- В этом случае транзисторы работают как насыщенный комплементарный эмиттерный повторитель и имеют падение напряжения на открытых переходах всего несколько милливольт.