Как сделать структурную схему генератора сигналов специальной формы
Обновлено: 06.07.2024
В измерительной технике часто используют генераторы гармонических сигналов, частоту которых автоматически изменяют (качают) в пределах заданной спектральной полосы.
Структурная схема ГКЧ (рис. 4.7) содержит источник модулирующего напряжения, задающий генератор, схему формирования частотных меток, выходной блок и цифровой индикатор уровня, фиксирующий выходное колебание. Основные параметры данных генераторов — частотные и амплитудные. К первым относят диапазон рабочих частот, полосу качания, длительность автоматического качания частоты и т.д. Ко вторым — уровень выходной мощности (напряжения) при работе на согласованную нагрузку, неравномерность этого уровня при перестройке частоты и пр. К генераторам качающейся частоты предъявляют достаточно жесткие требования по линейности модуляционной характеристики, постоянству выходного уровня мощности и значению побочной модуляции.
В достаточно широких пределах автоматическое качание частоты без коммутации элементов колебательной системы легко реализуют в низкочастотных генераторах на биениях. При этом в качестве перестраиваемого гетеродина может служить LC-генератор с электронным управлением частотой.
Рис. 4.7. Упрощенная структурная схема ГКЧ
В радиотехнике известно несколько способов управления частотой высокочастотных ZC-генераторов. Практическое применение находит способ перестройки частоты путем изменения величины барьерной емкости /?-и-перехода полупроводникового диода — варикапа, который включают в цепь колебательного контура генератора. Модулирующее напряжение, воздействуя на p-w-переход диода, изменяет его емкость, а следовательно, и частоту генерируемых колебаний.
К генераторам сигналов специальной формы относят источники одиночных или периодических импульсных сигналов, которые могут иметь прямоугольную и отличную от нее форму. Особое место в ряду генераторов специальной формы занимают импульсные (релаксационные) генераторы. Их подразделяют на генераторы периодической последовательности импульсов и генераторы кодовых групп импульсов. Широкое применение находят генераторы периодических последовательностей прямоугольных импульсов. Для формирования прямоугольных импульсов со стабильными длительностью и частотой следования, крутыми фронтами и плоской вершиной используют мультивибраторы, работающие в автоколебательном и ждущем режимах. Обычно в мультивибраторах применяют кварцевую стабилизацию частоты.
Структурная схема импульсного генератора и временные диаграммы ее работы показаны на рис. 4.8. Формирователь временных интервалов может работать в режиме автогенератора (положение ключа 1) или в ждущем режиме (положение ключа 2). Однократный пуск осуществляют нажатием кнопки Кп. Интервал Т определяет частоту следования импульсов/=1/7’. Длительность импульсов определяется временем задержки, как в одноименной схеме: ти = т3. По длительности вырабатываемых импульсов генераторы делят на микросекундные и наносекундные.
Современные генераторы сигналов специальной формы относятся к универсальным приборам с широким частотным диапазоном, большим числом форм и уровней выходных сигналов, а также электронным управлением их параметрами. В ряде случаев генераторы частично или полностью заменяют низкочастотные, в том числе инфранизкочастотные, высокочастотные и импульсные генераторы.
Рис. 4.8. Импульсный генератор: а — структурная схема; б — временные диаграммы
Не буду углубляться в дебри и пытаться нарыть все области, в которых могут найти себе применение генераторы импульсов треугольной формы, отмечу лишь, что такие области есть и их немало.
Треугольный сигнал - это сигнал, в котором напряжение периодически линейно нарастает до некоторого максимального значения, потом линейно убывает до некоторого минимального и т. д. с постоянной частотой.
Причём, в отличие от своего близкого кореша - сигнала пилообразной формы, скорость нарастания и убывания треугольного сигнала одинаковы, а его график относительно центральной оси является полностью симметричным.
Рассматривать простейшие конструкции на одном операционном усилителе, либо расхожие схемы, выполненные на 555 таймере, в рамках данной статьи мы не станем ввиду крайне низкой линейности последних. Поэтому остановимся на схемах, позволяющих получить удобоваримые результаты как с точки зрения линейности, так и с точки зрения частотных характеристик изделия.
Итак, классика жанра - схема генератора треугольного и прямоугольного напряжений, выполненная на связке: триггер Щмитта + интегратор (Рис.1).
Этот генератор состоит из последовательно включенных триггера Щмитта и интегратора.
Интегратор, как ему и положено, интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение.
Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера. Изменяя постоянную интегрирования R1C1, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения.
Амплитуда треугольного напряжения зависит от установки посредством резисторов R2 и R3 уровней срабатывания триггера Щмитта. В нашем случае амплитудное значение колебаний равно:
Uвых = Uтр+ = lUтр-l = Uнас*R2/R3 , где Uнас - напряжение насыщения операционного усилителя (паспортная характеристика ОУ при заданном питании).
Период колебаний генератора равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменилось от Uтр- до Uтр+ : Т = 4R1*C*R2/R3 .
И, соответственно, частота колебаний генератора равна : F = 1/Т = R3/(4R1*C*R2) .
Сдобрим пройденный материал он-лайн калькулятором. Расчёты проведём для схемы с Рис.1.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕТОВ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ.
Теперь пару слов о грустном, вернее о том, что, как правило, не упоминается в различных источниках информации.
Формирование идеальных треугольных импульсов предполагает наличие очень высокого параметра усиления ОУ. Значение скорости нарастания выходного напряжения операционника также должно устремляться в бесконечность. И если с Ku современных полупроводников проблем не возникает (он достигает десятков-сотен тысяч), то найти недорогой и широкополосный операционник для получения "хороших" треугольных импульсов (с нелинейностью менее 1%) весьма проблематично.
А что нам говорит практика? А практика на говорит, что для того, чтобы получить на выходе генератора треугольный сигнал с приемлемым (единицы % и ниже) коэффициентом нелинейности необходимо соблюсти следующие условия: частота единичного усиления операционника, работающего в качестве интегратора, должна быть не менее, чем в 100 раз выше максимальной частоты генератора, а полоса ОУ, работающего в качестве триггера, должна превышать частоту генератора уже в 1000 раз и выше.
Давайте проиллюстрируем сказанное выше.
Для начала соберём схему, приведённую на Рис.1, с использованием популярного сдвоенного операционного усилителя LM833. Казалось бы: полоса пропускания - 15МГц, скорость нарастания выходного напряжения - 7В/мксек. Что ещё надо для того, чтобы построить генератор треугольника на весь звуковой диапазон?
А теперь глянем на осциллограммы.
На Рис.2 слева представлена осциллограмма выходного сигнала с частотой 1кГц, справа - 10кГц. На 60кГц выходной сигнал приобретает форму, близкую к синусоиде, ещё выше - генерация срывается.
Теперь заменим LM833 на более быстродействующую AD826 со следующими параметрами: частота единичного усиления - 50МГц, но главное, скорость нарастания выходного напряжения - 350В/мксек!
На Рис.3 слева приведена осциллограмма выходного сигнала генератора на частоте 10кГц, причём форма сигнала имеет приличную линейность вплоть до частоты 160кГц (Рис.2 справа). Генератор сохраняет устойчивую работу до частоты 200кГц.
Дальнейшее увеличение частотного диапазона колебаний генератора при сохранении приемлемой линейности, можно осуществить, заменив триггерный каскад на ОУ на триггер Шмитта, выполненный на быстродействующем логическом элементе 74HC14, с временем задержки переключения - около 10нсек (Рис.4).
При использовании в интеграторе микросхемы AD826, запитанной двухполярным напряжением ±12В, диапазон высокой линейности треугольника составляет 0. 500кГц, при этом работоспособность генератора сохраняется до частот в несколько мегагерц. При питании микросхемы от однополярного источника +6В частотный диапазон сужается ~ в 2. 2,5 раза.
Амплитуда треугольных импульсов равна величине напряжения гистерезиса микросхемы 74HC14 и при Vcc=6В составляет ≈ 1,2В.
Функциональные генераторы делятся на два широких класса:
Аналоговые функциональные генераторы на основе интегратора аналоговых сигналов в виде прямоугольных импульсов (меандра).
Цифровые функциональные генераторы на основе дискретных (цифровых) интеграторов.
Помимо простоты реализации, аналоговые функциональные генераторы имеют одно неоспоримое преимущество перед их цифровыми собратьями – отсутствие ступенек на участках роста и спада пилообразного и синусоидального выходных напряжений
Содержание
Вложенные файлы: 1 файл
Курсовой проект. Разработка функционального генератора оо.docx
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Кафедра Технической Кибернетики
Студент группы УС-31
Содержание
Разработка функционального генератора
Введение ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………. 3
Постановка задачи ……………………………………………………………………………… …………………………… 5
Принципы построения функциональных генераторов ……………………………………… 6
2.1. Функциональный генератор на основе интегратора ……………………………………. 6
2.2. Функциональный генератор управляемый током и напряжением …………. 9
3. Разработка функциональных блоков …………………… ………………………………………………….13
3.2. Разработка релаксатора ……………………………………………………………………………… ………………16
3.3. Блок управления частотой ……………………………………………………………………………… …………..18
3.4. Расчет усилителя мощности ……………………………………………………………………………… ………. 20
3.5. Разработка источника питания ……………………………………………………………………………… . 22
3.6. Электронное управление амплитудой …………………………………………………………………….. 25
5. Список используемой литературы ……………………………………………………………………………… 29
Разработка функционального генератора
В начале 50-х годов прошлого столетия функциональный генератор являлся простейшим источником сигналов синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм в диапазоне инфранизких и частично низких частот. К настоящему времени он стал наиболее универсальным измерительным генератором сигналов, охватывающим частотный диапазон от единиц микрогерц до десятков-сотен мегагерц.
Эти приборы отличаются многообразием форм выходных сигналов, достаточно высокими техническими характеристиками, широкими функциональными возможностями. Этим объясняется возможность использования современных функциональных генераторов в ряде случаев практики.
Разработка функционального генератора
Наряду с отмеченными достоинствами функциональные генераторы имеют малые габариты, массу, потребляемую мощность, достаточно высокую надежность и небольшую стоимость, благодаря отсутствию в них дорогостоящих громоздких механических узлов и сложных электронных блоков.
К настоящему времени функциональные генераторы получили широкое распространение в РФ и за рубежом.
При разработке электронных модулей, компонентов схемы и прочих операциях генератор сигналов работает в качестве источника воздействующего сигнала.
Генератор формирует сигнал с изменяемой по времени амплитудой, который подается на тестируемый элемент или высокочастотный модуль, фильтр. Форма сигнала может быть произвольной, а может быть в виде любой периодической функции, например, синусоиды. Может представлять собой цифровой импульс или двоичную последовательность. Наиболее распространенные формы сигналов — синусоидальные сигналы, меандры и прямоугольные сигналы, пилообразные и треугольные сигналы.
Что представляет собой сигнал генератора
Сигнал является биполярным истинным сигналом переменного тока с пиковыми значениями, которые колеблются относительно определенного уровня постоянного напряжения.
Также это могут быть сигналы со смещением, которые опускаются и поднимаются ниже или выше от расположения нулевого уровня (0 В). Под переменным током понимается любой изменяющий свое значение сигнал, независимо от привязки к нулю.
Таким образом, тестирование приборов заключается в подаче сигнала идеальной формы или с добавлением искажений, то есть ошибки, которая возможна в процессе работы диагностируемого прибора.
Главное достоинство генератора сигнала — это возможность имитации реальной ошибки, которую можно предсказать в определенном месте и в нужное время с помощью исследуемой схемы.
В итоге, способность реагировать тестируемого устройства на искажение демонстрирует его готовность работать в неблагоприятных условиях аварийного режима.
Как вывод можно сказать, что сигнал на выходе модуля анализируется осциллографом или другим прибором, например, анализатором спектра или измерителем мощности. По результатам анализа судят о корректной работе проверяемого устройства. По необходимости генератором можно добавить шум на тестируемый сигнал или имитировать замирание входного сигнала.
Основные применения генератора сигналов
Вы спросите, а зачем он нужен. Например, такой прибор как генератор сигналов A96 DDS понадобится, чтобы получить в работе над радиопередатчиком и приемником требуемую форму сигналов, чтобы настраивать УМЗЧ и измерять искажения или фронты.
Даже простейший бюджетный прибор, такой как функциональный генератор сигналов на ICL8038 даст представление о кривой на выходе при подаче синуса, треугольника или меандра, позволит увидеть результат, который получается на выходе.
Подобные устройства используются в прикладных областях при формировании низкочастотных навигационных сигналов, применяются для мобильной сотовой связи, спутников и радиолокации с длинной волны от миллиметрового диапазона. Чтобы выполнять работу в любых условиях придуманы даже карманные генераторы синусоидальных сигналов, такие как Fg-100. Прибор используется вместе с осциллографом для тестирования и наладки электронных схем.
Устройства стабилизируют синтезированную частоту, поддерживают калиброванный выходной уровень сигнала и дают возможность дистанционного управления.
Описание генератора частоты
Из Китая приехал генератор частот. Как вы видите, он представляет из себя довольно таки солидный прибор.
На лицевой панели генератора частот мы видим множество различных кнопок и крутилок. Эта крутилка предназначена для того, чтобы уменьшать или увеличивать амплитуду сигнала.
Эти кнопки предназначены для изменения формы сигналов.
Здесь можно увидеть такие сигналы, как
Далее с помощью кнопок можно выбрать нужный диапазон, а также подключить какой-либо внешний сигнал.
Под внешним счетчиком здесь имеется ввиду какой-либо периодический сигнал с какого-нибудь генератора частоты либо схемы. Подавая такой сигнал на разъем нашего генератора частоты, мы с легкостью можем определить частоту неизвестного сигнала вплоть до 10 Мегагерц. То есть в данном случае генератор функций выполняет роль частотомера.
Далее идут разъемы.
VCF – Voltage Controlled Frequency. По нашему ГУН. Расшифровывается как Генератор Управляемый Напряжением. Само название говорит нам о том, что мы можем менять частоту сигнала с генератора частоты, подавая на этот разъем какое-либо напряжение. В зависимости от того, какая будет амплитуда подаваемого напряжения, такая и будет частота на выходе генератора частоты.
TTL OUT. ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная-Логика. OUT – выход. Этот выход предназначен для тактирования логических микросхем, построенных на так называемой транзисторно-транзисторной логике. То есть это логические элементы, которые в своем составе имеют только биполярные транзисторы и резисторы. Такие микросхемы делают в основном на питание +5 В.
Логический ноль – это уровень напряжения от 0 и до +0,5 В. Уровень логической единички от 2,4 и до +5 В. Поэтому, с этого выхода мы получаем прямоугольный периодический сигнал с чередующимися нулями и единицами: 0101010101… Частоту такого сигнала выставляем с помощью крутилки и кнопок выбора диапазона.
OUTPUT. Выход с генератора. Именно с этого разъема мы и получаем необходимый нам сигнал с генератора функций.
Также небольшой интерес могут представлять из себя кнопки
Написано “attention”, что значит “внимание”. На самом деле там должно быть написано “attenuator”. Аттенюатор – слово не наше, означает как “ослабить, смягчить”. Видать, китайцы сэкономили на переводчике с китайского на английский ). Итак, что за кнопочки -20dB и -40dB? dB – это децибелы. А пока вот вам ссылочка на онлайн-калькулятор. Я за вас уже все посчитал. -20dB это значит, что мы можем ослабить выдаваемый генератором сигнал в 10 раз. -40dB – в 100 раз. А если нажмем сразу на 2 кнопочки разом, то у нас в сумме получится -60dB. Следовательно, мы можем ослабить сигнал в 1000 раз.
Как устроен генератор сигналов?
Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.
Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:
- Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
- Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
- Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
- Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
- Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.
Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.
Как изменить форму сигнала
Для того, чтобы получить некоторые нестандартные сигналы, типа пилы или прямоугольных сигналов с различной скважностью, нам придется задействовать
вот эту кнопочку и крутилку
Пару слов о скважности. Это параметр применяется к прямоугольной форме сигналов.
T – период импульса, с
t – длительность импульса, с
Величина D (Duty), обратная величине S, называется коэффициентом заполнения
Иллюстрация сигналов с различным коэффициентом заполнения
На экране осциллографа это может выглядеть вот так
Можем также из треугольного сигнала получить пилообразный сигнал
Иногда требуется добавить постоянную составляющую в сигнал. Для этого используем вот эту кнопочку и крутилку.
Смысл этой операции заключается в том, что к переменному току мы добавляем постоянный ток. Если объяснить графически, то это будет выглядеть вот так.
Как вы видите, эта функция без проблем работает в этом генераторе частоты
А также мы без проблем можем замерить этим генератором частот какую-либо частоту, например, с другого генератора. Выставили 15 КГц, он нам тоже показал 15 КГц. Все работает как надо!
Генератор звуковой частоты
Схемы для начинающих
Что такое генератор звука и с чем его едят? Итак, давайте первым делом определимся со значением слова “генератор”. Генератор – от лат. generator – производитель. То есть объясняя домашним языком, генератор – это устройство, которое производит что-либо. Ну а что такое звук? Звук – это колебания, которые может различить наше ухо. Нормальный человек может слышать колебания в диапазоне частот от 16 Гц и до 20 Килогерц. Звук до 16 Герц называют инфразвуком, а звук более 20 000 Герц – ультразвуком.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что генератор звука – это устройство, которое излучает какой-либо звук. Все элементарно и просто
А почему бы его нам не собрать? Схему в студию!
Как мы видим, моя схема состоит из:
– конденсатора емкостью 47 наноФарад
– резистора 20 Килоом
– транзисторов КТ315Г и КТ361Г, можно с другими буквами или вообще какие-нибудь другие маломощные
– маленькая динамическая головка
– кнопочка, но можно сделать и без нее.
На макетной пл ате все это выглядит примерно вот так:
А вот и транзисторы:
Слева – КТ361Г, справа – КТ315Г. У КТ361 буква находится посередине на корпусе, а у 315 – слева.
Эти транзисторы являются комплиментарными парами друг другу.
Частоту звука можно менять, меняя значение резистора или конденсатора. Также частота увеличивается, если повышать напряжение питания. При 1,5 Вольт частота будет ниже, чем при 5 Вольтах. У меня на видео напряжение выставлено 5 Вольт.
Виды генераторов сигналов
Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.
Синусоидальный
Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.
Генератор низкочастотный
Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.
Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.
Генератор звуковой частоты
Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).
Генератор цифрового сигнала
Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.
Импульсы произвольной формы
Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.
Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.
Контроллеры сложных сигналов
В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).
Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.
Читайте также: