Схема функционального генератора сигналов: Функциональный Генератор Сигналов | 2 Схемы

Функциональный генератор с электронной перестройкой частоты

Функциональный генератор с электронной перестройкой частоты

категория

Самодельные измерительные приборы

материалы в категории

И. НЕЧАЕВ, г. Курск
Радио, 2002 год, № 2

Функциональными генераторами называют приборы способные обеспечить выходной сигнал различной формы: синусоидальный, треугольные или прямоугольные импульсы, пилообразный сигнал.
 Правда, подобными приборами обычно пользуются специалисты, профессионально разрабатывающие сложную аппаратуру. В радиолюбительской же практике в большинстве случаев достаточно, например, иметь возможность получить сигнал треугольной и прямоугольной форм. Первый из них позволит настраивать аналоговую аппаратуру диапазона 3Ч и выявлять (конечно, при наличии осциллографа) искажения типа “ступенька”, ограничения сигнала “сверху” или “снизу”. С помощью второго можно проверять и налаживать цифровую технику, а также контролировать динамические характеристики аналоговой аппаратуры.

Сам же генератор, обеспечивающий получение таких сигналов, значительно упрощается.

Схема функционального генератора выдающего треугольные и прямоугольные импульсы приведена на рисунке:

 Собственно генератор выполнен на микросхеме DA1, содержащей два операционных усилителя. На DA1.1 собран интегратор, а на DA1.2 — компаратор (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 1998, с. 257). Диапазон частот генератора от 20 Гц до 20 кГц разбит на три поддиапазона, которые устанавливают переключателем SA1, подключающим к интегратору один из конденсаторов С1 — СЗ. В каждом из поддиапазонов частоту генератора изменяют переменным резистором R2.

При зарядке частотозадающего конденсатора формируется нарастающее по времени напряжение на выходе ОУ DA1.1 (вывод 9). Как только оно достигает определенного значения, компаратор изменяет направление интегрирования. Частотозадаю-щий конденсатор начинает разряжаться, напряжение на указанном выводе — падать.

В итоге образуется сигнал треугольной формы. Через резистор R8 и конденсатор С6 он поступает на переменный резистор R9, а с его движка — на выходное гнездо XS3. Максимальное напряжение, которое можно установить на выходе переменным резистором, достигает 1 В.

На выходе компаратора (вывод 13 ОУ DA1.2) образуются колебания прямоугольной формы, которые поступают на формирователь, выполненный на микросхеме DD1. Эта микросхема допускает подавать на входы напряжение,

большее напряжения питания, что позволяет подключать ее вход 1 непосредственно к выходу ОУ DA1.2. Питающее напряжение на нее подается через один из стабилитронов VD1 — VD4, поэтому на выходе логических элементов DD1.2 — DD1.6 будут прямоугольные импульсы амплитудой 3, 5, 9, 12 В в зависимости от положения подвижного контакта переключателя SA2.

Благодаря использованию сравнительно мощной КМОП микросхемы К561ЛН2, ее выходной ток может достигать 20…30 мА. Поэтому прибор пригоден для настройки устройств, собранных на микросхемах различных серий: К155, К176, К530, КР531, К555, К564, КР1554 и многих других.

При указанных на схеме номиналах элементов, частоту генерируемого сигнала в герцах определяют по формуле: F_вых=(40/С)·(U_R2/U_пит), где С – ем-кость подключенного частотозадающего конденсатора, мкФ; U_R2 — напряжение на движке переменного резистора R2, В; U_пит — напряжение питания, В.

Поскольку ОУ питается однопо-лярным напряжением, значение U_R2 будет ограничено снизу. Для использованного автором экземпляра ОУ оно составило 1,45 В, при более низком напряжении генератор не работал. Поэтому для получения десятикратного перекрытия по частоте было выбрано стабилизированное питающее напряжение 15 В. Правда, генератор работоспособен и при меньшем напряжении, но перекрытие по частоте на каждом поддиапазоне также будет меньше.

В приборе можно использовать любой транзистор серии КТ3102. Конденсаторы С1 — С З— ПМ-2, К71, но в крайнем случае, если не требуется высокая термостабильность, — КД, КЛС, К10-17; С4 — любого типа, С5 — С7 — К50-16, К50-35 или аналогичные. Переменные резисторы — СП, СПО, СП4, постоянные — МЛТ, С2-33. Переключатели — любого типа.

Большинство деталей монтируют на печатной плате (рис. 2) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

Плату устанавливают в корпус подходящих габаритов, а на корпусе крепят переключатели, гнезда и переменные резисторы. Резистор R2 желательно снабдить шкалой и проставить на ней значения генерируемых частот для каждого поддиапазона.

При налаживании прибора вначале подбирают резистор R1 такого сопротивления, чтобы в левом (по схеме) положении движка резистора R2 наблюдалась устойчивая работа генератора на самой низшей частоте — 20 Гц (подвижный контакт переключателя SA1 — в положении “20…200 Гц”). Частоты поддиапазонов устанавливают подбором конденсаторов С1 — СЗ, а максимальную амплитуду треугольного напряжения — подбором резистора R8.

Диапазон рабочих частот генератора ограничен быстродействием используемого ОУ и составляет 40…50 кГц. Если получение таких частот необходимо, следует добавить еще один частотозадающий конденсатор, применить переключатель на четыре положения и установить другие поддиапазоны, например, 4. ..40 Гц, 40…400 Гц, 0,4…4 кГц, 4…40 кГц.

Интегральные КМОП-схемы в системах радиочастотной идентификации: опыт разработки

Д. Ахметов, к. т. н., Е. Балашов, к. т. н., В. Калинин, к. т. н., А. Коротков, д. т. н., Д. Морозов, к. т. н., М. Пилипко, к. т. н., И. Пятак, И. Румянцев

Системы радиочастотной идентификации (РЧИД) относятся к классу беспроводных сенсорных сетей и широко используются для мониторинга и контроля состояния различных объектов, в том числе для персональной идентификации, контроля доступа, управления производственными процессами и т. п. В статье представлены результаты разработки интегральной КМОП-схемы считывателя системы РЧИД для объектов транспортной инфраструктуры. Данная ИС предназначена для идентификации меток на основе резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Разработка выполнена по заказу ОАО “Авангард”. Статья продолжает цикл публикаций журнала “Электроника: Наука, Технология, Бизнес”, в которых рассказывается о результатах выполнения коллективом авторов наиболее интересных проектов в области разработки КМОП ИС для беспроводных систем связи [1, 2].

В состав системы РЧИД в общем случае входят два основных элемента: приемо-передающее устройство, которое называют считывателем, и метка. В зависимости от используемых технологий и решаемых задач метка является простейшим отражателем либо несложным приемо-передающим устройством, функция которого – передать сигнал отклика на входное воздействие считывателя [3, 4, 5]. Этот сигнал содержит информацию об уникальном номере метки в виде цифрового кода.

Разработанная интегральная схема считывателя включает в себя приемо-передающий тракт с диапазоном рабочих частот 2,40 – 2,48 ГГц. ИС обеспечивает когерентный прием отраженного сигнала метки и построена на основе синтезатора частот с дробным коэффициентом деления частоты. В синтезаторе используется петля фазовой автоподстройки частоты с программируемым делителем и цифровым дельта-сигма-модулятором в обратной связи. В качестве опрашивающего используется сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

ИС считывателя ориентирована на применение совместно с метками, выполненными в виде пассивного отражателя на ПАВ-резонаторе [6].

Метки данного типа обладают следующими преимуществами: высокой устойчивостью к воздействию неблагоприятных условий внешней среды и высокой защищенностью от помехи несанкционированной перезаписи кода.

Рассмотрим общую структуру модуля считывателя, в состав которого входят ИС и другие блоки. Отдельно проанализируем особенности построения передающей и приемной частей считывателя, а также результаты экспериментальных работ по исследованию изготовленных образцов ИС считывателя.

Структура модуля считывателя

Структурная схема модуля считывателя включает в себя: интегральную схему считывателя (ИС), усилитель мощности (УМ), переключатель (ПК), полосовой фильтр(ПФ), симметрирующее устройство (СТ), цепь накачки (ЦН) и два опорных кварцевых генератора на 2 МГц и 20 МГц (рис.1). К основным блокам интегральной схемы считывателя относятся синтезатор частот, состоящий из схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и генератора, управляемого напряжением (ГУН), активное симметрирующее устройство (АСТ), смеситель (СМ), фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УНЧ) и дельта-сигма-модулятор (ДСМ).

В ходе предварительной калибровки с помощью цифровых управляющих сигналов, передаваемых по шине K, задается начальная частота ГУН. Цифровыми управляющими сигналами на шине MD устанавливается диапазон рабочих частот. По положительному фронту сигнала на входе STRT начинается формирование ЛЧМ-импульса, который с выхода интегральной схемы считывателя через усилитель мощности, переключатель и полосовой фильтр поступает на антенну. Отраженный от метки сигнал через полосовой фильтр, переключатель и симметрирующее устройство поступает на вход интегральной схемы считывателя. Выходные сигналы модуля снимаются с аналогового балансного выхода VGA и цифрового выхода DSM.С помощью цифровых сигналов на шине CTRL можно регулировать коэффициент передачи усилителя с переменным коэффициентом усиления.

Рис.1. Структурная схема модуля считывателя

Передающий тракт

Основу передающего тракта составляет синтезатор частот. Параметрический синтез и расчет блоков синтезатора частот выполняется исходя из совокупности требований ко времени перестройки, уровню фазовых шумов и нелинейных искажений. Поэтому первым этапом разработки является функциональное моделирование синтезатора в целях формирования частных параметров основных блоков. Для этого в среде Simulink была разработана функциональная модель синтезатора частот в виде структурной схемы, состоящей из следующих блоков (рис.2): генератор, управляемый напряжением (VCO), опорный генератор (XCO), фазовый детектор и цепь накачки (PFD), делитель частоты (Divider), дельта-сигма-модулятор (D-S Modulator), фильтр нижних частот (LPF) и блок генерации случайного сигнала (Dithering) для уменьшения уровня побочных гармоник в спектре выходного сигнала VCO [7]. Блок Int имитирует регистр, задающий значение целой части формируемого коэффициента деления, а блок Frac – значение дробной части.

Рис.2. Структурная схема синтезатора частот в виде функциональной модели

Особенностью функциональной модели является возможность учета паразитных (неидеальных) параметров блоков: задержек, различия фронтов и спадов импульсов, в том числе тока накачки и тока разряда, фазовых шумов генераторов, нелинейной характеристики ГУН. Так, модель генераторов включает источники белого, фликкерного шума и источники шума со спектральной плотностью мощности, обратно пропорциональной второй и третьей степени частоты. Шумовые сигналы формируются во временной области с помощью фильтрации и интегрирования исходного белого шума. Анализ паразитных гармоник, вносимых дельта-сигма-модулятором в петле обратной связи синтезатора, учитывает эффект периодичности выходного сигнала аккумулятора, в который записывается значение коэффициента деления на каждом такте выходного сигнала делителя частоты при формировании несущего колебания. Результаты моделирования позволяют оценить крутизну характеристики перестройки ГУН, ток цепи накачки, время перестройки, уровень фазовых шумов и нелинейных искажений синтезатора.

В ходе моделирования были сняты следующие зависимости: временная зависимость сигнала управления ГУН (рис.3), спектр выходного колебания (рис.4) и спектральная плотность средней мощности фазовых шумов на частоте 2,40 ГГц (рис. 5). Отметим, что при перестройке частоты в диапазоне от 2,40 до 2,48 ГГц наблюдается сбой синхронизации, что является следствием нелинейности характеристик блоков синтезатора частот, в первую очередь блока ГУН. Использование линейной модели не позволяет определить наличие такого эффекта. Данный факт важен с практической точки зрения, так как время перестройки в этих случаях различается. Например, для варианта, представленного на левом рисунке, этот показатель составил 17,2 мкс, а на правом – 23,2 мкс (см. рис.3).

Рис.3. Зависимость сигнала управления ГУН от времени при перестройке частоты от 2,40 до 2,44 ГГц (слева) и от 2,40 до 2,48 ГГц (справа)

При формировании колебания на частоте 2,40 ГГц, кроме гармоники на основной частоте, выделяются две побочные гармоники, равноудаленные от основной частоты и кратные частоте сравнения, в данном случае частоте опорного колебания. Уровень паразитных гармоник составил – 91,5 дБм, уровень основной частоты – 2,6 дБм (см. рис.4).

Рис.4. Спектр выходного колебания синтезатора частот на частоте 2,40 ГГц

Анализ фазовых шумов также показывает отличие от случая использования линейной модели. В частности, уровень фазовых шумов возрастает при уменьшении частоты отстройки, в то время как линейная модель предсказывает уменьшение. Значения уровня фазового шума при отстройке на 1 кГц, 100 кГц и 1 МГц составили – 78 дБн/Гц, – 88 дБн/Гц и – 118 дБн/Гц, соответственно (см. рис.5).

Рис.5. Спектральная плотность средней мощности фазовых шумов

Отметим, что по результатам моделирования в среде Cadence Virtuoso с вычислителем Spectre время перестройки в диапазоне от 2,40 до 2,44 ГГц составило 17,8 мкс (расхождение с моделированием на функциональном уровне в среде Simulink не более 4%), относительный уровень побочных гармоник – минус 88,6 дБн (расхождение не более 2 дБ).

В качестве источника задающего колебания использован внешний опорный генератор с частотой 20 МГц. Генератор синтезатора формирует сигнал с линейной частотной модуляцией. Он реализован на основе ГУН, построенного по балансной схеме с банком подстроечных конденсаторов в цепи управления. Разброс параметров элементов ГУН вследствие влияния допусков технологического процесса требует проведения процедуры калибровки с использованием банка конденсаторов. Предусмотрены следующие режимы работы передающего тракта: формирование одиночного импульса ЛЧМ-сигнала в диапазоне частот 2,40 – 2,44 ГГц, 2,44 – 2,48 ГГц, 2,40 – 2,48 ГГц и режим калибровки. Режимы устанавливаются путем задания управляющих сигналов на шине MD (см. рис.1). Для преобразования сигнала к небалансному виду использовано активное симметрирующее устройство на паре МОП-транзисторов.

Приемный тракт

Приемный тракт схемы считывателя включает в себя двойной балансный смеситель по схеме Гильберта [8], фильтр нижних частот на переключаемых конденсаторах (SC-фильтр) и операционных транскондуктивных усилителях (ОТУ), усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и дельта-сигма-модулятор четвертого порядка.

SC-фильтр Чебышева пятого порядка с частотой среза 200 кГц и тактовой частотой 2 МГц реализован по балансной схеме методом операционной имитации лестничного прототипа (рис.6). Потребляемая мощность фильтра равна 14 мВт, уровень третьей гармоники на выходе фильтра на частоте среза при амплитуде входного сигнала 0,5 В составляет – 62,7 дБ.

Рис.6. Фильтр нижних частот на переключаемых конденсаторах

Операционный транскондуктивный усилитель построен по КМОП-схеме с использованием двух комплементарных входных каскадов, соединенных параллельно по одноименным входам и каскадно включенных с выходными цепями на комплементарных транзисторах. Такое решение позволило расширить полосу рабочих частот и увеличить размах входного и выходного сигналов усилителя.

При использовании ОТУ в составе SC-фильтра не предполагается работа усилителя на резистивную нагрузку и, следовательно, не требуется малое выходное сопротивление. Поэтому в ОТУ отсутствует выходной каскад повторителя напряжения. Поскольку частотные характеристики ОТУ определяют полосу рабочих частот схемы, важно, чтобы ОТУ был достаточно широкополосным и обладал высоким коэффициентом усиления по напряжению в области низких частот. Реализованный SC-фильтр имеет возможность перестройки по тактовой частоте до 20 МГц, а по частоте среза до 2 МГц. При нагрузочных емкостях 10 пФ параметры реализованного ОТУ составили: полоса единичного усиления 128 МГц, коэффициент усиления по напряжению в области низких частот 60,3 дБ.

К выходу SC-фильтра подключен усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (рис.7). Схема реализована на ОТУ и переключаемых конденсаторах. При нулевом уровне управляющих сигналов CTRL1 и CTRL2 обеспечивается коэффициент усиления по напряжению, который компенсирует ослабление сигнала в полосе пропускания SC-фильтра. Когда CTRL1 = CTRL2 = 1, то схема усиливает в 14 раз. В остальных случаях обеспечиваются промежуточные значения коэффициента усиления. Потребляемая мощность усилителя составляет 14,0 мВт.

Рис.7. Низкочастотный усилитель на переключаемых конденсаторах

Для формирования выходного цифрового сигнала использован дельта-сигма-модулятор аналого-цифрового преобразователя (АЦП) следящего типа [9]. Такие АЦП отличаются низкой потребляемой мощностью при высоком разрешении, которое в зависимости от диапазона рабочих частот может составлять 8 до 16 разрядов. Свойства дельта-сигма АЦП главным образом определяются характеристиками дельта-сигма-модулятора, так как преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется именно в модуляторе. По результатам эксперимента динамический диапазон модулятора составил 56,0 дБ, что обеспечивает АЦП разрешающую способность девяти разрядов при тактовой частоте 2 МГц. Потребляемая мощность не превышает 13,0 мВт.

Экспериментальные исследования образцов ИС

Спроектированная интегральная схема считывателя системы радиочастотной идентификации была изготовлена компанией UMC по КМОП-технологии с топологическими нормами 180 нм. Площадь кристалла составила 7 мм² (рис.8).

Рис.8. Кристалл ИС считывателя системы радиочастотной идентификации

Исследования характеристик кристалла ИС проводились с использованием зондовой станции Cascade EP6RFи анализатора источника сигнала Rohde & Schwarz FSUP‑8. Измерения показали, что ИС обладает следующими характеристиками [10]:

• диапазон рабочих частот 2,40 – 2,48 ГГц;
• уровень выходной мощности –1,25 дБм;
• уровень фазового шума –80 дБн/Гц при отстройке 1 кГц от рабочей частоты;
• шаг перестройки по частоте 150 кГц;
• время перестройки по частоте не более 20 мкс;
• напряжение питания 1,8 В;
• потребляемая мощность 100 мВт.

В результате измерения зависимости фазового шума синтезатора частот при отстройке по частоте выяснилось, что отклонение реальных значений параметров от результатов моделирования не превышает 3 дБ (рис. 9).

Рис.9. Результаты измерений спектра фазового шума синтезатора частот

Были проведены экспериментальные испытания модуля считывателя с ПАВ-меткой. При использовании внешнего усилителя мощности типа ADL5602 дальность устойчивого считывания сигнала составила 3 м. В спектре сигнала выделяются гармоники, частоты которых определяют идентификационный код метки (рис.10).

Рис.10. Результаты эксперимента: сигнал отклика метки на выходе VGA во временной области и спектр сигнала отклика

Сравнение разработанной интегральной схемы и зарубежных аналогов показало, что предложенное решение по характеристикам не уступает известным образцами может применяться в отечественных системах РЧИД в качестве импортозамещающего изделия (см. таблицу).

Табл. 1. Сравнение характеристик разработанной ИС и зарубежных аналогов

ЛИТЕРАТУРА

1. Коротков А. С., Морозов Д. В., Пилипко М. М., Пятак И. М., Буданов Д. О. Аналого-цифровые преобразователи для беспроводных систем связи: опыт разработки // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 2.

2. Балашов Е. В., Коротков А. С., Румянцев И. А. Интегральные КМОП-схемы диапазона СВЧ: опыт разработки //Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7.

3. Григорьева А. Тенденции развития RFID-технологии: обзор мирового и российского рынка // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 4.

4. Коротков А. С. Системы радиочастотной идентификации –обзор // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2016. Т. 59. № 3.

5. Ахметов Д. Б., Коротков А. С. Приемо-передающее устройство считывания информации радиочастотных меток для интегрального узла беспроводной сенсорной сети // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика, телекоммуникации, управление. 2010, 2(97).

6. Калинин В. А., Строгонов К. А., Пащенко В. П. Современное состояние акустоэлектронных устройств и их применение в микросистемотехнике // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ. 2013, вып. 128, № 5.

7. Ахметов Д. Б., Коротков А. С., Функциональное моделирование синтезаторов частот в среде Simulink //Известия вузов. Радиоэлектроника. 2013. Т. 56. № 11.

8. Коротков А. С. Двойной балансный смеситель на МОП-транзисторах // Микроэлектроника. 2011. Т. 40. № 2.

9. Коротков А. С., Пилипко М. М., Морозов Д. В., Хауэр Й. Дельта-сигма модулятор с частотой дискретизации 50 МГц на основе 0,18 мкм КМОП технологии // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 3.

10. Ахметов Д. Б., Балашов Е. В., Морозов Д. В., Пилипко М. М. и др. СВЧ-приемопередатчик по 180 нм КМОП-технологии для идентификации транспортных средств // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы научно-технической конференции. – М.: ОАО “НПП “Пульсар”, 2014

Журнал “Электроника: НТБ”, №3, 2017.

Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ     Микросхема ICL8038 позволяет построить полноценный генератор импульсов с выходными напряжениями синусоидальной, треугольной и прямоугольной формами выходного сигнала. Данный генератор имеет огромный частотный диапазон, охватывающий и инфразвуковую и ультразвуковую часть. Может быть запитан и от однополярного напряжения и от двуполярного, диапазон питающих напряжений огромен – от ±5 В до ±15 или от +10 до +30 вольт.     Принципиальных схем генератора на микросхеме ICL8038 довольно много и тщательно пересмотрев несколько вариантов, перечитав даташник я решил использовать более продвинутый вариант схемы для своих нужд. Сразу скажу – мне понадобился генератор синусоидального сигнала с частотой 50 Гц, поэтому схему я упростил по максимуму:         Подобный генератор синусоидального напряжения мне понадобился для создания бесперебойного питания, но финальная схема данного бесперебойного источника питания еще в работе, а пока было решено попробовать что умеет данная микросхема. Навесным монтажом была собрана обвязка данной микросхемы и првоверено какой регулятор за что отвечает ну и на всякий случай проверился частотный диапазон.     На основен увиденных характеристик ICL8038 и была выбрана схема для создания функционального генератора, который будет собран несколько позже.     Схема не моя, поэтому немного скажу что бы я изменил. Прежде всего лучше добавить еще один частотный даиапазон. Для полноты фунциональности нужно лучше проработать узел на RV2 – регуляторе симметричности длительности импульсов и пауз меду ними. Если использовать переменный резистор с щелчком в среднем положении, то его можно вывести на переднюю панель прибора и использовать по прямому назначению – иногда бывает нужно при наладке устройств импулься различной длительности. Правда номиналя RV2 придется значительно увеличить и изменение сопротивления в зависиммости от угла поворота должно быть линейным.     И еще, обратите внимание на номиналя резисторов R8, R9 и R10 – они разные потому что амплитуда на выходах микросхемы тоже разная и данное изменение номиналов позволяет выровнять амплитуду под одинаковое значение.     Печатную плату пока не разрабатывал именно под функциональный генератор, а для своих нужд плата разработана, но еще не проверена – чуть позже будут подробности. Покупал ЗДЕСЬ. СКАЧАТЬ ДАТАШНИК НА ICL8038   Адрес администрации сайта: [email protected]

Генератор аналоговых функций: 13 ступеней (с изображениями)

Эта конструкция основана на простом, но эффективном релаксационном генераторе. Релаксационный осциллятор – это, по сути, триггер Шмитта, который вынужден колебаться в зависимости от времени нарастания последовательного резистора и конденсатора. Триггер Шмитта – это конфигурация компараторов, которая добавляет к операции сравнения гистерезис или зависимость от недавней истории. Гистерезис – это причина того, что ваш термостат не включается и не выключается в одном и том же месте, когда вы поворачиваете диск вперед и назад.Триггеры Шмитта обычно используются для сравнения двух напряжений, когда сигналы довольно зашумлены, поскольку шум с низкой амплитудой может привести к срабатыванию компаратора по шуму вместо полезного сигнала. Триггер Шмитта имеет пороговое напряжение, основанное на значениях двух резисторов R1 и R2 на прилагаемом рисунке. Если у нас есть компаратор, подключенный к +/- 12 В, то пороговые напряжения будут +/- 12 В * R1 / (R1 + R2). В этой конструкции для R1 используется триммер, поэтому пороговое значение может меняться.

Допустим, резисторы выбраны так, что пороговое напряжение V _thres = 1V.Когда схема инициализируется, напряжение на C равно нулю, и компаратор переключается на одно из напряжений питания. Допустим, это + 12В. Тогда напряжение на выводе 3 будет + 1В. Компаратор видит это и продолжает подавать +12, поскольку V ₊ > V _– . Некоторый ток пройдет через R3 и R4 и начнет заряжать C, вызывая повышение его напряжения в соответствии с функцией V _C (t) = 12 * (1-EXP (-t / RC)). Когда V _C переходит на всего на выше 1 В, тогда V ₊ – , и компаратор изменит свое выходное состояние на -12 В.Когда V _{на выходе} = -12 вольт, тогда V _thres = -12 * R1 / (R1 + R2), или для нашего сценария V _thres = -1V. Итак, теперь компаратор видит V – = + 1V V ₊ = -1V. Конденсатор разряжается через R3 + R4 и меняет полярность до тех пор, пока V _– = -1 В, после чего компаратор снова переключится на выход +12 В. Этот процесс продолжается снова и снова и имеет частоту примерно f = (R1 + R2) / (4 * R1 * C * (R3 + R4)). Примечательной особенностью этого отношения является то, что оно полностью не зависит от напряжения питания компаратора.Это исключительно функция выбранных вами пассивных компонентов.

Преимущество использования релаксационного осциллятора заключается в том, что он способен генерировать приблизительно треугольную волну одновременно с прямоугольной волной. Этот сигнал представляет собой напряжение на конденсаторе. Как я сказал ранее, этот сигнал на самом деле следует экспоненциальной кривой. Однако, если мы сделаем V _thres намного меньше, чем напряжение питания (примерно в 10 раз), тогда кривую можно будет довольно хорошо аппроксимировать прямой линией.Для тех из вас, у кого есть опыт работы с сериями Тейлора, мы, по сути, выбираем «t» как малое и берем первое (линейное) приближение экспоненты. Другими словами, если мы сделаем V _thres достаточно малым, мы получим два сигнала по цене одного.

Вы можете сказать: «Но это не компаратор, это операционный усилитель!» но по сути это одно и то же. Операционные усилители разработаны с учетом отрицательной обратной связи и обычно работают медленнее, но их можно использовать для сравнения напряжений.Я решил использовать операционные усилители серии TL08x, потому что они дешевы, намного лучше, чем 741s, имеют относительно высокую скорость нарастания (скорость) и входы JFET (высокое входное сопротивление), так что они действительно идеальные операционные усилители для любителей. . Я тестировал эту базовую схему на частотах около 350 кГц с довольно хорошими результатами, но сигнал действительно начинает выходить из строя где-то около 500 кГц. Операционный усилитель просто недостаточно быстр. Сам генератор можно улучшить с помощью высокоскоростного компаратора, но это улучшение будет потеряно позже в функциональном генераторе, поэтому я решил просто использовать операционный усилитель.

Если вам нужна дополнительная скорость, вы всегда можете попробовать найти высокоскоростной операционный усилитель. Производители стараются убедиться, что распиновка примерно одинакова для аналогичных устройств, поэтому нужно просто вставить другую микросхему в гнездо IC. TL084 имеют скорость нарастания 13 В / мкс, а микросхема с более высокой скоростью нарастания должна иметь пропорционально более высокую максимальную выходную частоту. Например, TLE2144CN имеет идентичную распиновку, стоит 4,90 доллара каждый и утверждает, что имеет скорость нарастания 45 В / мкс, и поэтому должен иметь возможность получить до 300 кГц * 45/13 = 1.04MHz надежно. Я рассматривал этот вариант, и я могу обновить его в какой-то момент, но просто помните, что чем выше частота, тем больше вероятность искажения или разрушения сигнала из-за паразитных сопротивлений в цепи. _{Другими словами, нет никакой гарантии, что потраченные лишние деньги что-нибудь сделают для вас.}

Функциональный генератор – определение, работа, блок-схема, цепь

Все о генераторах функций

Функциональный генератор – это источник сигнала, который может генерировать различные типы сигналов в качестве выходного сигнала. Наиболее распространенными выходными сигналами являются синусоидальные волны, треугольные волны , прямоугольные волны и пилообразные волны . Частоты таких сигналов можно регулировать от долей герца до нескольких сотен кГц.

На самом деле, функциональные генераторы – очень универсальные инструменты, так как они способны генерировать широкий спектр сигналов и частот. Фактически, каждая из генерируемых ими сигналов особенно подходит для разных групп приложений.Использование синусоидальных выходов и прямоугольных выходов уже было описано в предыдущих разделах «Искусство». Треугольные и пилообразные выходные сигналы генераторов функций обычно используются в тех приложениях, где требуется сигнал, который увеличивается (или уменьшается) с определенной линейной скоростью. Они также используются для управления генераторами развертки в осциллографах и осью X записывающих устройств.

Многие функциональные генераторы также могут генерировать одновременно две разные формы сигналов (разумеется, с разных выходных клемм).Это может быть полезной функцией, когда для конкретного приложения требуются два сгенерированных сигнала. Например, обеспечивая прямоугольную волну для измерений линейности в аудиосистеме, можно использовать одновременный выход пилы для управления усилителем горизонтального отклонения осциллографа, обеспечивая визуальное отображение результата измерения. В другом примере, треугольная волна и синусоида равных частот могут быть созданы одновременно. Если пересечения нуля обеих волн создаются одновременно, доступна линейно изменяющаяся форма волны, которая может быть запущена в точке нулевой фазы синусоидальной волны.

Другой важной особенностью некоторых функциональных генераторов является их способность синхронизировать фазу с внешним источником сигнала. Один функциональный генератор может использоваться для фазовой синхронизации второго функционального генератора, и два выходных сигнала могут быть смещены по фазе на регулируемую величину. Кроме того, один функциональный генератор может быть синхронизирован по фазе с гармоникой синусоидальной волны другого функционального генератора. Регулируя фазу и амплитуду гармоник, можно получить почти любую форму волны путем суммирования основной частоты, генерируемой одним функциональным генератором, и гармоники, генерируемой другим функциональным генератором.Функциональный генератор также может быть синхронизирован по фазе в соответствии с точным стандартом частоты, и все его выходные сигналы будут иметь ту же частоту, стабильность и точность, что и стандарт.

Функциональный генератор и блок-схема

Блок-схема функционального генератора

Блок-схема генератора функций представлена ​​на рисунке. В этом приборе частота регулируется путем изменения величины тока, который управляет интегратором. Этот прибор выдает различные типы сигналов (например, синусоидальные, треугольные и прямоугольные) в качестве выходного сигнала с диапазоном частот 0.От 01 Гц до 100 кГц.

Частотно-регулируемое напряжение регулирует два источника питания. Источник питания 1 подает постоянный ток на интегратор, выходное напряжение которого линейно растет со временем. Увеличение или уменьшение тока увеличивает или уменьшает крутизну выходного напряжения и, таким образом, регулирует частоту.

Мультивибратор компаратора напряжения изменяет состояние на заданном максимальном уровне выходного напряжения интегратора. Это изменение отключает подачу тока от источника питания 1 и переключает на источник питания 2.Источник 2 подачи тока подает обратный ток на интегратор, так что его выходная мощность линейно падает со временем. Когда выходной сигнал достигает заданного уровня, компаратор напряжения снова меняет состояние и переключается на источник питания. Выходной сигнал интегратора представляет собой треугольную волну, частота которой зависит от тока, подаваемого источниками постоянного тока. На выходе компаратора выдается прямоугольный сигнал той же частоты, что и на выходе. Схема резистивных диодов изменяет наклон треугольной волны по мере изменения ее амплитуды и создает синусоидальную волну с искажением менее 1%.

Схема функционального генератора

с использованием одной микросхемы IC 4049

В этом посте мы узнаем, как построить 3 простые схемы функционального генератора с использованием одной микросхемы IC 4049 для генерации точных прямоугольных, треугольных и синусоидальных сигналов с помощью простых операций переключения.

Используя только одну недорогую КМОП-микросхему 4049 и несколько отдельных модулей, легко создать надежный функциональный генератор, который будет обеспечивать диапазон из трех форм волны вокруг звукового спектра и за его пределами.

Целью статьи было создание базового, экономичного генератора частоты с открытым исходным кодом, который легко сконструировать и использовать всем любителям и профессионалам лабораторий.

Эта цель, несомненно, была достигнута, поскольку схема обеспечивает множество синусоидальных, прямоугольных и треугольных сигналов, а частотный спектр от примерно 12 Гц до 70 кГц использует только одну ИС шестнадцатеричного инвертора CMOS и несколько отдельных элементов.

Без сомнения, архитектура может не обеспечивать эффективность более продвинутых схем, особенно с точки зрения согласованности формы сигнала на повышенных частотах, но, тем не менее, это невероятно удобный инструмент для анализа звука.

---

Для версии Bluetooth вы можете прочитать эту статью

---

Блок-схема

Основы работы схемы из показанной выше блок-схемы. Основная часть функционального генератора – это генератор треугольников / прямоугольных импульсов, который состоит из интегратора и триггера Шмита.

Когда на выходе триггера Шмитта высокий уровень, напряжение, возвращаемое с выхода Шмитта на вход интегратора, позволяет выходу интегратора становиться отрицательным, прежде чем он превысит нижний выходной уровень триггера Шмитта.

На этом этапе выход триггера Шмитта является медленным, поэтому небольшое напряжение, подаваемое на вход интегратора, позволяет ему положительно нарастать до того, как будет достигнут верхний уровень триггера Шмитта.

Выходной сигнал триггера Шмитта снова становится высоким, а выходной сигнал интегратора снова становится отрицательным, и так далее.

Положительная и отрицательная развертки на выходе интегратора представляют собой треугольную форму волны, амплитуда которой вычисляется с помощью гистерезиса триггера Шмитта (т.е. разница между верхним и нижним пределами триггера).

Триггер Шмитта, естественно, представляет собой прямоугольную волну, состоящую из чередующихся состояний высокого и низкого выходного сигнала.

Выходной сигнал треугольника подается на формирователь диода через буферный усилитель, который округляет максимумы и минимумы треугольника для создания сигнала, приближенного к синусоидальному.

Затем с помощью трехпозиционного селекторного переключателя S2 можно выбрать каждую из трех форм сигнала и подать ее на выходной буферный усилитель.

Как работает схема

Полная принципиальная схема функционального генератора CMOS, как показано на рисунке выше. Интегратор полностью построен с использованием КМОП-инвертора N1, а механизм Шмитта включает 2 инвертора с положительной обратной связью. Это N2 и N3.

На следующем изображении показаны детали распиновки IC 4049 для применения в приведенной выше схеме.

Схема работает следующим образом; учитывая, что на данный момент дворник P2 находится в самом нижнем положении, а выход N3 высокий, ток эквивалентен:

Ub – U1 / P1 + R1

проходит через R1 и p1, где Ub указывает напряжение питания и Ut – пороговое напряжение N1.

Поскольку этот ток не может пройти на вход инвертора с высоким сопротивлением, он начинает течь в направлении C1 / C2 в зависимости от того, какой конденсатор переключается в линию переключателем S1.

Таким образом, падение напряжения на C1 уменьшается линейно, так что выходное напряжение N1 линейно возрастает до достижения нижнего порогового напряжения триггера Шмитта, как только выход триггера Шмитта становится низким.

Теперь ток, эквивалентный -Ut / P1 + R1 , протекает через R1 и P1.

Этот ток всегда протекает через C1, так что выходное напряжение N1 экспоненциально возрастает до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное предельное напряжение триггера Шмитта, выход триггера Шмитта возрастет, и весь цикл начнется заново.

Для сохранения симметрии треугольной волны (т.е. одинакового наклона как для положительной, так и для отрицательной части формы волны) токи нагрузки и разряда конденсатора должны быть идентичны, то есть Uj, -Ui должны быть идентичны Ут.

Однако, к сожалению, Ut, определяемое параметрами преобразователя CMOS, обычно составляет 55%! Напряжение источника Ub = Ut составляет примерно 2,7 В при 6 В и Ut примерно при 3,3 В.

Эта проблема решена с помощью P2, который требует изменения симметрии. На данный момент примите во внимание, что тайский R связан с положительной линией питания (позиция A).

Независимо от настройки P2, высокое выходное напряжение триггера Шмитта всегда остается 11.

Тем не менее, когда выход N3 низкий, R4 и P2 устанавливают делитель потенциала, так что, в зависимости от конфигурации стеклоочистителя P2, напряжение между 0 В. до 3 В можно было вернуть обратно в P1.

Это гарантирует, что напряжение больше не -Ut, а Up2-Ut. Если напряжение ползунка P2 составляет около 0,6 В, тогда Up2-Ut должно быть около -2,7 В, поэтому токи зарядки и разрядки будут идентичными.

Очевидно, что из-за допуска в значении Ut регулировка P2 должна выполняться в соответствии с определенным функциональным генератором.

В ситуациях, когда Ut составляет менее 50 процентов входного напряжения, может оказаться целесообразным подключение верхней части R4 к земле (положение B).

Можно найти пару частотных шкал, которые будут назначены с помощью S1; От 12 Гц до 1 кГц и от 1 кГц до примерно 70 кГц.

Детальное регулирование частоты задается P1, который изменяет ток заряда и разряда C1 или C2 и, таким образом, частоту, с которой интегратор нарастает и опускается.

Прямоугольный выходной сигнал от N3 отправляется на буферный усилитель через переключатель выбора формы сигнала S2, который состоит из пары инверторов, смещенных как линейный усилитель (подключенных параллельно для повышения эффективности их выходного тока).

Выходной сигнал треугольной волны обеспечивается через буферный усилитель N4, а оттуда переключателем выбора на выход буферного усилителя.

Кроме того, выходной сигнал треугольника от N4 добавляется в формирователь синуса, состоящий из R9, R11, C3, Dl и D2.

D1 и D2 потребляют небольшой ток примерно до +/- 0,5 вольт, но их разное сопротивление падает за пределы этого напряжения и логарифмически ограничивает максимумы и минимумы треугольного импульса, чтобы создать эквивалент синусоиды.

Выходной синусоидальный сигнал передается на выходной усилитель через C5 и R10.

P4, который изменяет коэффициент усиления N4 и, следовательно, амплитуду треугольного импульса, подаваемого на формирователь синусоиды, изменяет прозрачность синуса.

Слишком низкий уровень сигнала, и амплитуда треугольника будет ниже порогового напряжения диода, и он будет работать без изменений, а при слишком высоком уровне сигнала максимумы и минимумы будут сильно ограничены, тем самым обеспечивая не правильно сформированная синусоида.

Входные резисторы выходного буферного усилителя выбираются таким образом, чтобы все три формы сигналов имели номинальное выходное напряжение от пика до минимума около 1.2 В. Уровень выхода можно изменить через P3.

Процедура настройки

Метод регулировки заключается в простом изменении симметрии треугольника и чистоты синусоиды.

Кроме того, симметрия треугольника идеально оптимизирована путем исследования входной прямоугольной волны, поскольку симметричный треугольник получается, если скважность прямоугольной волны составляет 50% (интервал между отметками 1–1).

Для этого вам необходимо настроить предустановку P2.

В ситуации, когда симметрия увеличивается, когда дворник P2 перемещается вниз к выходу N3, но правильная симметрия не может быть достигнута, верхняя часть R4 должна быть соединена в альтернативном положении.

Чистота синусоиды изменяется путем регулировки P4 до тех пор, пока форма волны не станет «идеальной», или путем изменения минимального искажения только при наличии измерителя искажений, который необходимо проверить.

Поскольку напряжение питания влияет на выходное напряжение различных форм сигналов и, следовательно, на чистоту синуса, схема должна питаться от надежного источника питания 6 В.

Когда батареи используются в качестве источников питания, их никогда не следует заставлять слишком сильно разряжаться.

КМОП ИС, используемые в качестве линейных схем, потребляют более высокий ток, чем в обычном режиме переключения, и, следовательно, напряжение питания не должно превышать 6 В, иначе ИС может нагреться из-за сильного рассеивания тепла.

Еще один отличный способ построения схемы функционального генератора может быть через IC 8038, как объяснено ниже.

Схема функционального генератора

с использованием IC 8038

IC 8038 – это прецизионный генератор сигналов IC, специально разработанный для создания синусоидального, квадратного и треугольного выходных сигналов. формы волны за счет минимального количества электронных компонентов и манипуляций.

Его рабочий частотный диапазон может быть определен с помощью 8 частотных шагов, начиная с 0,001 Гц до 300 кГц, путем соответствующего выбора подключенных элементов дистанционного управления.

Колебательная частота чрезвычайно устойчива независимо от колебаний температуры или напряжения питания в широком диапазоне.

Кроме того, функциональный генератор IC 8038 предлагает рабочий диапазон частот до 1 МГц. Ко всем трем выходным сигналам основной формы сигнала, синусоидальному, треугольному и квадратному, можно одновременно получить доступ через отдельные выходные порты схемы.

Частотный диапазон 8038 можно изменять с помощью внешнего источника напряжения, хотя ответ может быть не очень линейным.Предлагаемый генератор функций также обеспечивает как регулируемую симметрию треугольника, так и регулируемый уровень искажения синусоидальной волны.

Функциональный генератор с использованием IC 741

Эта схема функционального генератора на основе IC 741 обеспечивает повышенную универсальность тестирования по сравнению с типичным генератором синусоидального сигнала, давая вместе прямоугольные и треугольные волны 1 кГц, и это одновременно недорого и очень просто в сборке . Судя по всему, выходной сигнал составляет примерно 3 В пикап на прямоугольную волну и 2 В среднеквадратичное значение. в синусоиде.Переключаемый аттенюатор может быть быстро включен, если вы хотите более бережно относиться к проверяемой цепи.

Как собрать

Начните набивать детали на печатную плату, как показано на схеме расположения компонентов, и убедитесь, что полярность стабилитрона, электролитиков и микросхем соблюдена правильно.

Как настроить

Чтобы настроить схему простого функционального генератора, просто выполните точную настройку RV1 до тех пор, пока синусоида не окажется немного ниже уровня ограничения. Это дает вам наиболее эффективную синусоиду через осциллятор.Квадрат и треугольник не требуют каких-либо настроек или настроек.

Как это работает

1. В этой схеме функционального генератора IC 741 микросхема IC1 сконфигурирована в виде генератора моста Вина, работающего на частоте 1 кГц.
2. Регулировка амплитуды обеспечивается диодами D1 и D2. Выход из этой ИС подается либо на выходной разъем, либо на схему возведения в квадрат.
3. Он подключен к SW1a посредством C4 и является триггером Шмидта (Q1 -Q2).Стабилитрон ZD1 работает как триггер без истеризации.
4. Интегратор IC2, C5 и R10 генерирует треугольную волну из входной прямоугольной волны.

Простой генератор функций UJT

Однопереходный генератор, показанный ниже, является одним из самых простых генераторов пилы. Два его выхода дают, а именно пилообразную форму волны и последовательность запускающих импульсов. Волна нарастает от примерно 2V (точка впадины, Vv) до максимального пика (Vp). Пиковая точка зависит от источника питания Vs и коэффициента выдержки BJT, который может варьироваться примерно от 0.От 56 до 0,75, при этом 0,6 является обычным значением. Период одного колебания составляет примерно:

t = – RC x 1n [(1 – η) / (1 – Vv / Vs)]

, где «1n» означает использование натурального логарифма. Принимая во внимание стандартные значения, Vs = 6, Vv = 2 и η = 0,6, приведенное выше уравнение упрощается до:

t = RC x 1n (0,6)

Поскольку зарядка конденсатора является инкрементальной, пилообразная величина увеличивается. наклон не линейный. Для многих аудиоприложений это не имеет особого значения.На рисунке (b) показан зарядный конденсатор через цепь постоянного тока. Это позволяет склону идти прямо вверх.

Скорость заряда конденсатора теперь постоянна, независимо от Vs, хотя Vs по-прежнему влияет на точку пика. Поскольку ток зависит от усиления транзистора, простой формулы для измерения частоты не существует. Эта схема предназначена для работы с низкими частотами и реализована в виде генератора пилообразного сигнала.

Использование операционных усилителей LF353

Два операционных усилителя используются для построения точной схемы генератора прямоугольных и треугольных сигналов.В комплект LF353 входят два операционных усилителя JFET, которые лучше всего подходят для этого приложения.

Частоты выходного сигнала рассчитываются по формуле f = 1 / RC . Схема демонстрирует чрезвычайно широкий рабочий диапазон без каких-либо искажений.

R может иметь любое значение от 330 Ом до примерно 4,7 М; C может иметь любое значение от 220 пФ до 2 мкФ.

Как и в описанной выше концепции, два операционных усилителя используются в следующей синусоидальной схеме генератора косинусоидальной волновой функции.

Они генерируют синусоидальные сигналы почти идентичной частоты, но не совпадают по фазе на 90 °, поэтому выходной сигнал второго операционного усилителя называется косинусоидальной волной.

На частоту влияет набор допустимых значений R и C. R находится в диапазоне от 220k до 10 M; C составляет от 39 пФ до 22 нФ. Связь между R, C и / или немного сложна, так как она должна отражать значения других резисторов и конденсаторов.

Используйте R = 220 кОм и C = 18 нФ в качестве начальной точки, которая обеспечивает частоту 250 Гц.Стабилитроны могут быть маломощными выходными диодами 3,9 В или 4,7 В.

Функциональный генератор с использованием TTL IC

Пара вентилей 7400 quad двухвходового логического элемента NAND составляет фактическую схему генератора для этой схемы генератора функций TTL. Кристалл и регулируемый конденсатор работают как система обратной связи на входе затвора U1-a и выходе затвора U1-b. Затвор U1-c функционирует как буфер между каскадом генератора и выходным каскадом U1-d.

Переключатель S1 действует как переключаемый вручную элемент управления затвором для включения / выключения прямоугольного выходного сигнала U1-d на выводе 11.При разомкнутом S1, как указано, прямоугольный сигнал генерируется на выходе, а после закрытия равный сигнал отключается.

Переключатель можно заменить логическим вентилем для цифрового управления выходом. В точке соединения C1 и XTAL1 создается почти идеальная синусоидальная волна от 6 до 8 В от пика до пика.

Импеданс на этом переходе очень высок и не может обеспечить прямой выходной сигнал. Транзистор Q1, настроенный как усилитель эмиттерного повторителя, обеспечивает высокое входное сопротивление для синусоидального сигнала и низкое выходное сопротивление для внешней нагрузки.

Схема запускает почти все типы кристаллов и работает с частотами кристаллов от менее 1 МГц до более 10 МГц.

Как настроить

Настройка этой простой схемы генератора функций TTL может быть быстро инициирована следующими пунктами.

Если у вас есть осциллограф, подключите его к прямоугольному выходу U1-d на контакте 11 и расположите C1 в центре диапазона, который обеспечивает наиболее эффективную форму выходного сигнала.

Затем наблюдайте за выходным синусоидальным сигналом и отрегулируйте C2 для получения наилучшего вида сигнала.Вернитесь к ручке управления C1 и немного отрегулируйте ее взад и вперед, пока на экране осциллографа не будет получен наиболее здоровый синусоидальный сигнал.

Список деталей

РЕЗИСТОРЫ
(Все резисторы имеют -ватт, 5% единиц.)
RI, R2 = 560 Ом
R3 = 100k
R4 = 1k

Полупроводники
U1 = IC 7400
Q1 = IC 7400
Q1 = 2N3904 Кремниевый транзистор NPN

Конденсаторы
C1, C2 = 50 пФ, подстроечный конденсатор
C3, C4 = 0,1 мкФ, керамический дисковый конденсатор

Разное
S1 = Тумблер SPST
XTAL1 = Any Crystal (см. text)

Схема наилучшей синусоидальной формы с кварцевым управлением

Следующий генератор сигналов представляет собой двухтранзисторную схему кварцевого генератора, которая работает превосходно, дешево в сборке и не требует катушек или дросселей.Цена зависит в первую очередь от используемого кристалла, так как общая стоимость других элементов не должна составлять несколько долларов. Транзистор Q1 и несколько смежных частей образуют схему генератора.

Земля для кристалла направляется через C6, R7 и C4. В переходе C6 и R7, который имеет довольно малый импеданс, РЧ передается на усилитель эмиттер-повторитель Q2.

Форма волны на переходе C6 / R7 действительно почти идеальная синусоида. Выходной сигнал на эмиттере Q2 имеет амплитуду от 2 до 6 вольт от пика до пика, в зависимости от значений добротности кристалла и конденсаторов C1 и C2.

Значения C1 и C2 определяют частотный диапазон цепи. Для кварцевых частот ниже 1 МГц C1 и C2 должны быть 2700 пФ (0,0027 пФ). Для частот от 1 МГц до 5 МГц это могут быть конденсаторы емкостью 680 пФ; и для 5 МГц и 20 МГц. можно применить конденсаторы емкостью 200 пФ.

Вы могли бы попробовать протестировать эти конденсаторы, чтобы получить наилучший синусоидальный выходной сигнал. Кроме того, регулировка конденсатора C6 может влиять на два выходных уровня и общую форму сигнала.

Список деталей

РЕЗИСТОРЫ
(Все резисторы – ватт, 5% единиц.)
R1-R5-1k
R6-27k
R7-270 Ом
R8-100k
КОНДЕНСАТОРЫ
C1, C2 —См. Текст
C3, C5-0,1-пФ, керамический диск
C6-10 пФ до 100 пФ, подстроечный резистор
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Q1, Q2-2N3904
XTAL1 — См. Текст

Цепь генератора с пилообразными зубьями

В пилообразном генераторе В схеме части Q1, D1-D3, R1, R2 и R7 сконфигурированы как простая схема генератора постоянного тока, которая заряжает конденсатор C1 постоянным током.Этот постоянный зарядный ток создает линейное возрастающее напряжение по C1.

Транзисторы Q2 и Q3 устроены как пара Дарлингтона, чтобы протолкнуть напряжение через C1 на выход без нагрузки или искажающих эффектов.

Как только напряжение вокруг C1 увеличивается примерно до 70% от напряжения питания, активируется вентиль U1-a, запускающий выход U1-b на высокий уровень и кратковременное включение Q4; который продолжает гореть, пока конденсатор C1 разряжается.

Это завершает один цикл и запускает следующий.Выходная частота схемы регулируется R7, который обеспечивает нижнюю частоту около 30 Гц и верхнюю частоту около 3,3 кГц.

Диапазон частот можно увеличить, уменьшив значение C1, и уменьшить, увеличив значение C1. Чтобы контролировать пиковый ток разряда Q4. C1 не должно быть больше 0,27 мкФ.

Список деталей

Схема функционального генератора, использующая пару микросхем. 4011

В основе этой схемы фактически лежит генератор моста Вина, который обеспечивает синусоидальный выходной сигнал.Затем из него извлекаются квадратные и треугольные формы сигналов.

Генератор моста Вина построен с использованием логических элементов CMOS NAND с N1 по N4, а стабилизация амплитуды обеспечивается транзистором T1 и диодами D1 и D2.

Эти диоды, возможно, должны быть подобраны комплектом из двух для минимального искажения. Потенциометр регулировки частоты P1 также должен быть высококачественным стереопотенциометром с дорожками внутреннего сопротивления, спаренными с допуском в пределах 5%.

Предустановка R3 дает возможность регулировки для минимального искажения, и в случае использования согласованных частей для D1, D2 и P1 общее гармоническое искажение может быть ниже 0.5%.

Выходной сигнал генератора моста Вина подается на вход N5, который смещен в свою линейную область и функционирует как усилитель. Логические элементы NAND N5 и N6 совместно усиливают и ограничивают выходной сигнал генератора для генерации прямоугольной волны.

На рабочий цикл формы волны относительно влияют пороговые потенциалы N5 и N6, однако он находится в непосредственной близости от 50%.

Выходной сигнал затвора N6 подается на интегратор, построенный с использованием логических элементов И-НЕ N7 и N8, который согласовывается с прямоугольной волной для получения треугольной формы волны.

Амплитуда треугольной формы сигнала наверняка зависит от частоты, а поскольку интегратор просто не очень точен, линейность дополнительно отклоняется относительно частоты.

На самом деле изменение амплитуды довольно тривиально, учитывая, что функциональный генератор часто используется вместе с милливольтметром или осциллографом, и выходной сигнал можно легко проверить.

Схема генератора функций с использованием LM3900 Norton Op Amp

Чрезвычайно удобный генератор функций, который снизит стоимость оборудования, а также стоимость, может быть сконструирован с помощью одного четырехъядерного усилителя Norton IC LM3900.

Если из этой схемы исключить резистор R1 и конденсатор C1, полученная установка будет общей для генератора прямоугольных импульсов с усилителем Norton, с током синхронизации, входящим в конденсатор C2. Подключение интегрирующего конденсатора C1 к генератору прямоугольных импульсов создает на выходе реалистично точную синусоидальную волну.

Резистор R1, который помогает дополнить постоянные времени схемы, позволяет регулировать выходную синусоидальную волну для минимального искажения. Идентичная схема позволяет вам подключить выход синусоидальной волны к стандартному подключению для генератора прямоугольных / треугольных волн, разработанного с двумя усилителями Norton.

Как показано на рисунке, треугольный выход работает как вход для синусоидального усилителя.

Для значений деталей, указанных в этой статье, рабочая частота схемы составляет приблизительно 700 герц. Резистор R1 можно использовать для регулировки наименьшего искажения синусоидальной волны, а резистор R2 можно использовать для регулировки симметрии прямоугольной и треугольной волн.

Четвертый усилитель в четырехъядерном корпусе Norton можно подключить в качестве выходного буфера для всех трех выходных сигналов.

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

Дешевый генератор функций DDS |

Несколько лет назад вам приходилось либо создавать собственный генератор сигналов, либо покупать, как правило, довольно дорогой генератор сигналов.В последнее время наблюдается тенденция к появлению очень дешевых (15-25 долларов США) комплектов цифровых функциональных генераторов, доступных в Китае. Несколько лет назад я писал о некоторых интересных устройствах-генераторах функций, и вот более подробный обзор одного из таких генераторов функций.

Некоторое время назад я получил модуль генератора сигналов функции DDS, генератор сигналов синусоидальной прямоугольной пилообразной волны. Это просто печатная плата с компонентами, а не модуль корпуса. Это универсальный продукт, который можно найти в различных обычных интернет-магазинах.Он имеет форму печатной платы размером примерно 100 мм на 80 мм с одним из вездесущих модулей буквенно-цифрового дисплея наверху и парой разъемов BNC для вывода.

На некоторых универсальных аналогичных продуктах не напечатано название, на устройстве, которое я получил, есть марка GeekTeches FG-050, а название модели напечатано на печатной плате. Я просто положил его в футляр, чтобы получить в результате такое устройство.

Это генератор сигналов функции (формы волны), разработанный с ЖК-экраном 1602 и пользовательским интерфейсом с 5 кнопками.Он может обещать генерировать множество часто используемых периодических сигналов функции времени (синусоидальные, квадратные, треугольные, пилообразные, пульсовые и т. Д.), Где вы можете регулировать частоту, амплитуду и смещение постоянного тока. Частотный диапазон от 1 Гц до 65534 Гц управляется кнопками. Амплитуда и величина смещения постоянного тока регулируются двумя потенциометрами. Выход сигнала – разъем BNC. В дополнение к этим аналоговым сигналам этот генератор сигналов может генерировать прямоугольный сигнал частотой 1–8 Гц.

Функции кнопок:
ВВЕРХ: выбор формы выходного сигнала
ВНИЗ: выбор формы выходного сигнала
ВЛЕВО: выходная частота –
ВПРАВО: выходная частота +
ПУСК / СТОП: останов / запуск выхода

Выберите желаемую форму сигнала с помощью кнопок ВВЕРХ и ВНИЗ и желаемую частоту с помощью кнопок ВЛЕВО и ВПРАВО.С помощью LEFT вы уменьшаете частоту, с помощью RIGHT вы увеличиваете это количество. Рекомендуется сначала установить «Шаг частоты» (1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц), чтобы каждый регулятор ВЛЕВО / ВПРАВО изменял частоту в некоторой степени. Наконец, нажимайте кнопку START / STOP, пока на дисплее не появится «ON», чтобы получить сигнал с выхода BNC. Когда выходной сигнал включен, пользователь не может изменять параметры сигнала. Чтобы внести какие-либо изменения в сигнал с помощью кнопок, сначала необходимо отключить выход.

После включения блока выход переходит к последним установленным параметрам, что является хорошей особенностью.

Технические характеристики:

Рабочее напряжение: DC7V-9V
Размер: прибл. 100 * 80 мм (длина * ширина)
Толщина шаблона: 2 мм
Диапазон частот DDS: 1 Гц-65534 Гц.
Высокоскоростная частота (HS) Прямоугольная волна: 1 МГц / 2 МГц / 4 МГц / 8 МГц
Сигналы DDS: синусоидальная волна, прямоугольная волна, пила, обратная пила, треугольная волна, волна ЭКГ и волна шума
Раздел на значение: 1,10,100 , 1000, 1000000 Гц
Смещение: 0.5pp-5Vpp
Величина амплитуды: 0.5Vpp-14Vpp
Выходное сопротивление: 20-200 Ом
Цвет печатной платы: черный и синий, произвольная доставка

Для мощности есть 2.1-миллиметровый цилиндрический разъем, через который он будет принимать от 7 до 9 В постоянного тока с центральным контактом как положительный. Я запитал свой функциональный генератор напряжением 9 В постоянного тока от шести батареек АА.

Вот видео (не мной) работы генератора функций:

Вид на тыльную сторону печатной платы:

Этот цифровой функциональный генератор является типичным источником низкочастотных сигналов. Эта схема очень хорошо работает с простым генератором сигналов, например, для отслеживания аудиосигнала через схему.В основном этот генератор делает именно то, что заявляет. От нижнего предела 1 Гц до верхнего предела 65,5 кГц форма синусоидальной волны остается неизменной, а амплитуда и смещение, выбранные мной на двух потенциометрах, одинаковы. Остальные формы волны такие же: квадрат, треугольник, пила, случайный шум, форма волны ЭКГ.

Это вполне способный небольшой функциональный генератор, но не совсем идеальный функциональный генератор. Есть несколько ограничений по схеме и реализации:

Форма сигнала не всегда идеальна, и точная установка параметров сигнала не является самой простой задачей.Вам нужно использовать кнопки для выбора формы сигнала и частоты, а затем использовать потенциометры для установки амплитуды + смещения. Форму волны и частоту можно регулировать только при выключенном выходном сигнале. Потенциометра с постоянной регулировкой частоты, как во многих аналоговых функциональных генераторах, нет.

На более высоких частотах шаг дискретизации становится видимым на осциллографе, но, что больше всего раздражает в работе, потенциометрам не хватает точного управления. Таким образом, получение точных значений амплитуды и смещения может быть неприятным процессом, если у вас есть точные потребности.Простой потенциометр обычно не очень полезен для практического применения в лаборатории.

При неправильной настройке потенциометра сигнал легко искажается. FG-050 без проблем и видимых искажений воспроизводит синусоидальную волну 1 кГц. Однако, если вы установите потенциометр амплитуды на максимальное значение, сигнал застрянет на положительном пороге +8,0 В и отрицательном пороге -6,9 В. Установка смещения постоянного тока при этом значении выходного напряжения не имеет никакого смысла. .

Если повернуть потенциометр FG-050 назад так, чтобы генератор выдавал напряжение 100 мВ, синусоидальная волна 1 кГц полностью искажается остатками тактового сигнала микроконтроллера.Если вам нужны сигналы низкого уровня, рекомендуется подключить к выходу резистивный делитель 1/10 или даже 1/100.

Читая спецификации, вы можете заметить, что выходное сопротивление не 50 Ом, как у многих лучших генераторов сигналов. Выходное сопротивление было не очень четко определено, поэтому я провел небольшое тестирование. Я обнаружил, что выходное сопротивление было очень низким (несколько Ом) при низких уровнях сигнала. Когда я добавил к выходу нагрузку 50 Ом, выходной сигнал в некоторых случаях заметно не изменился, а в некоторых других тестовых случаях добавление этой нагрузки сильно исказило сигнал.

К следующей схеме работы. На странице протестированных продуктов китайской электроники есть хороший обзор того, что находится на печатной плате:

На странице протестированных продуктов китайской электроники

также представлена ​​красивая принципиальная схема:

Принципиальная схема генератора DDS очень проста с использованием микроконтроллера AVR Atmega16 с тактовой частотой 16 МГц, стандартного ЖК-модуля 2 × 16 на базе HD44780, ЦАП R2R, сделанного из простых резисторов, и выходного буфера двойного операционного усилителя NE5532. В выходном буфере двойного операционного усилителя NE5532 реализованы схемы смещения постоянного тока и регулировки амплитуды.Выход управляется напрямую от выходного контакта NE5532. Этот выход дает довольно чистый выход с низким сопротивлением, если выход не перегружен. При нагрузках с высоким импедансом (несколько килоом и более) я мог получить до 5,4 В RMS с синусоидальным сигналом без заметных искажений. Если вы управляете нагрузками с низким сопротивлением, существуют ограничения. В моих тестах выход был способен выдавать синусоидальную волну примерно до 700 мВ RMS на нагрузку 50 Ом до искажения сигнала.

NE5532 – это высокопроизводительный операционный усилитель с полосой пропускания Unity-Gain 10 МГц, низким уровнем искажений и защитой от короткого замыкания на выходе.Выходное сопротивление обычно составляет всего 0,3 Ом (при 10 кГц RL = 600 Ом). Выходной ток короткого замыкания обычно составляет 38 мА (10-60 мА). NE5532 питается от + – источника питания. Отрицательное напряжение от + 7-9 В постоянного тока создается микросхемой удвоителя напряжения на переключаемых конденсаторах ICL7660.

Все сигналы генерируются с помощью программного обеспечения, работающего на микроконтроллере AVR, который питается от регулятора 5V. Ограничения выходной частоты выхода DDS, вероятно, ограничены программными ограничениями скорости и полосы пропускания выходных операционных усилителей.

ATmega16A – это 8-битный микроконтроллер со следующими характеристиками:
16 Кбайт внутрисистемной самопрограммируемой флэш-памяти программ ̶
512 Байт EEPROM
1 Кбайт Внутренняя SRAM
Рабочее напряжение 2,7 – 5,5 В
Уровни скорости 0 – 16 МГц

Этот ATmega16A можно рассматривать как маленького родственника ATmega328, используемого в популярной плате разработки Arduino Uno. Существует множество конструкций генераторов сигналов, использующих ATmega328, но эта плата решила сделать то же самое с менее дорогим контроллером.

Выходной сигнал DDS генерируется программным обеспечением, работающим на ATmega16A. Выходной сигнал подается на восемь выходных контактов, а результат преобразуется в аналоговый сигнал с помощью 8-битной лестничной схемы ЦАП R2R.

Качество выходного сигнала определяется точностью резисторов, используемых в цепи ЦАП. На печатной плате, использующей дискретные компоненты, резисторы с точностью 1% будут достаточными для 5-битной схемы, а для 8-битной требуемой точности будет лучше, чем 1/256 (0.4%), чтобы гарантировать монотонность вывода хотя бы по самым старшим битам. Резисторы, используемые с более значительными битами, должны быть пропорционально более точными, чем резисторы, используемые с менее значительными битами. Я не знаю или не измерял точность резисторов, используемых в этой плате, но судя по форме сигнала на экране осциллографа, качество выглядело приличным.

Также имеется второй выход, HS OUT, где появляются только прямоугольные высокоскоростные сигналы с четырьмя фиксированными частотами до 8 МГц.Сигнал высокой скорости (HS) напрямую выводится с вывода Atmega16 OC1A (PD5). Когда он не загружен, это сигнал уровня TTL 5 В. Когда я добавил нагрузку 50 Ом, напряжение высокого уровня упало примерно до 3,3 В.

Другие обзоры аналогичных устройств:
https://chinese-electronics-products-tested.blogspot.com/p/fg-050-function-generator-tested.html
https://hackaday.com/2020/02/ 25 / обзор-безымянный-китайский-dds-function-generator /
https://www.epanorama.net/blog/2015/09/15/interesting-signal-generators/

ИСКРЫ: Использование генератора функций

Использование генератора функций

а. Источник питания постоянного тока

б. Источник питания переменного тока

Рисунок 1. Сравнение источников питания постоянного и переменного тока

Вы знаете, как типичный источник питания постоянного тока обеспечивает переменную источник напряжения для цепей постоянного тока. Простым поворотом ручки регулируется выходное напряжение. См. Рисунок 1а.

Аналогичным образом функциональный генератор является источником питания переменного тока для цепей переменного тока.См. Рисунок 1b. Функциональный генератор обеспечивает источник переменного напряжения (или амплитуду ), но он также может изменять частоту , , измеренную в герцах, или циклов на второй.

Многие функциональные генераторы также могут изменять форму сигнала переменного напряжения. Наиболее распространенной формой является синусоида . Но вы также можете найти кнопки, которые будут отображать другие формы сигналов. На рисунке 2 показаны некоторые типичные варианты. Вы можете увидеть формы этих сигналов с помощью осциллографа .

а. Синусоидальная волна	б. прямоугольная волна	г. Треугольник волна	г. Пилообразная волна
Рисунок 2. Различные типы волн от функционального генератора

Рисунок 3. Изменение частоты с помощью функционального генератора SPARKS

Мы сделали генератор функций для SPARKS очень простым.

• Он выдает только одну амплитуду (пиковое напряжение).
• Он производит только один тип переменного тока: синусоидальную волну.
• Вы можете изменить частоту сигнала, перемещая ползунок с помощью мыши, как показано на рисунке 3.

Вы будете измерять амплитуду переменного напряжения, но цифровой дисплей показывает частоту.

ИС функционального генератора | Компоненты RS

		60% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	40 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		60% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	40 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		60% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	40 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		60% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	40 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		60% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	ЦСОП Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	16 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		60% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	ЦСОП Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	16 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		70% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	24 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		70% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	24 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	24 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	24 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	24 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	24 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	48 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	48 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	SOIC Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	8 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	SOIC Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	8 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		65% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	SSOP Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	28 год Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		65% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	SSOP Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	28 год Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	32 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.
		55% Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	Проверить уровни запасов	VFQFPN Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.	32 Обратите внимание, что уровень запасов на этой странице периодически обновляется в течение дня. Чтобы узнать текущий уровень запасов, нажмите на номер продукта, который вас интересует.

7.4: Генерация функций – Разработка LibreTexts

Цепи генерации функций используются для создания произвольных передаточных характеристик. Их можно использовать для различных целей, включая линеаризацию преобразователя и формирование синусоиды.Действительно, многие современные лабораторные генераторы сигналов не создают синусоидальную волну напрямую; скорее, они генерируют треугольную волну и пропускают ее через функциональную схему, которая затем генерирует желаемую синусоидальную волну. По сути, функциональная схема дает разное усиление для разных частей входного сигнала. Его форма отражается на форме входного сигнала. Если в функциональную схему подается «прямолинейный» сигнал, такой как пилообразный или треугольный, результирующий выходной сигнал будет иметь поразительное сходство с передаточной кривой схемы.(Этот эффект может быть хорошо использован при исследовании функциональных схем с помощью компьютерного моделирования.)

В принципе, существует два способа создания функциональной схемы с операционным усилителем. Первый способ – это расширение схемы стабилитрона-ограничителя. Вторая форма основана на схеме с диодом со смещением. В обоих случаях базовая схема представляет собой инвертирующий усилитель напряжения. Кроме того, оба метода позволяют наклону результирующей передаточной кривой увеличиваться или уменьшаться в определенных точках разрыва и скорости.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Простой генератор функций.

Простая функциональная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Обратите внимание, что он очень похож на ограничитель на рис. 7.27. Единственное отличие – это включение \ (R_a \). Ниже потенциала Зенера коэффициент усиления схемы по-прежнему устанавливается как \ (R_f \). Когда в конечном итоге достигается стабилитрон, диоды больше не могут принудительно устанавливать неизменное значение на выходе, поскольку \ (R_a \) последовательно с ними. Вместо идеального шунта через \ (R_f \), как в ограничителе, Rf эффективно соединяется с \ (R_a \).Другими словами, как только достигается потенциал стабилитрона, коэффициент усиления падает до \ ((R_f || R_a) / R_i \). Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Если быть более точным, изменение усиления не такое резкое, как это приближение. В действительности кривая передачи более плавная и несколько запаздывающая, что показано пунктирной линией.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Передаточная характеристика (уменьшение крутизны).

Чтобы добиться увеличения крутизны, комбинация стабилитрон / резистор размещается параллельно с Ri.Когда достигается потенциал стабилитрона, \ (R_a \) будет эффективно параллельно \ (R_i \), уменьшая усиление. Это имеет нежелательный побочный эффект в виде уменьшения входного импеданса, поэтому может потребоваться включить входной буфер. Пример схемы и результирующая передаточная кривая показаны на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \): Простой генератор функций, увеличивающий коэффициент усиления.

Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \): Передаточная характеристика, возрастающий наклон.

Если требуется более двух наклонов, можно параллельное соединение нескольких комбинаций стабилитрона / резистора. Этот метод можно использовать для создания кусочно-линейной аппроксимации желаемой передаточной характеристики. Двухсекционная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Обратите внимание, как резисторы постоянно размещаются параллельно, что снижает коэффициент усиления. Если этот многосекционный метод используется со схемой, такой как показанная на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), усиление увеличится.

Рисунок \ (\ PageIndex {4a} \): Генератор многосекционных функций.

Рисунок \ (\ PageIndex {4b} \): Передаточная характеристика для многосекционного генератора.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \) нарисуйте ее передаточную кривую.

Первый шаг – отметить точки излома на кривой. Поскольку в этой схеме используется схема убывающего усиления с диодами на \ (R_f \), точки выхода устанавливаются потенциалами Зенера. Также обратите внимание, что точки излома симметричны относительно нуля, поскольку используются идентичные диоды.

\ [V_ {break} = \ pm (V_z + 0,7V) \ notag \]

\ [V_ {break} = \ pm (3,9 В + 0,7 В) \ notag \]

\ [V_ {break} = \ pm 4.6 V \ notag \]

Следующим параметром, который необходимо определить, является усиление базового напряжения. Это коэффициент усиления без эффекта стабилитрона / резистора.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): генератор функций для примера \ (\ PageIndex {1} \).

\ [A_v = \ frac {−R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = \ frac {-20 k} {5 k} \ notag \]

\ [A_v = −4 \ notag \]

Усиление второго уровня происходит, когда диоды включены, когда \ (R_a \) размещается параллельно с \ (R_f \).

\ [A_ {v2} = \ frac {−R_f || R_a} {R_i} \ notag \]

\ [A_ {v2} = \ frac {−20 k || 10 k} {5 k} \ notag \]

\ [A_ {v2} = −1.33 \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Передаточная характеристика схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).

Полученный график показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Чтобы найти точку излома для входного сигнала (в этом случае обнаруживается только разрыв выхода), необходимо разделить разрыв выхода на наклон передаточной кривой.Для выхода 4,6 В входной сигнал будет в 4 раза меньше при 1,15 В. Если используется несколько секций, изменения, связанные с каждой секцией, добавляются, чтобы найти соответствующий входной сигнал. Если схема является схемой с увеличивающимся усилением (как на рисунке \ (\ PageIndex {3} \)), то точки разрыва входа известны, а точки выхода находятся путем умножения на наклон. Оба эти элемента показаны в следующем примере.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Нарисуйте передаточную кривую для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Многосекционная схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).

Все пары диодов идентичны, поэтому симметрия сохраняется. При осмотре точки останова на входе:

\ [V_ {break1-in} = 1,0 В + 0,7 В = 1,7 В \ notag \]

\ [V_ {break1-in} = 2,2 В + 0,7 В = 2,9 В \ notag \]

Базовый прирост

\ [A_v = – \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = – \ frac {12 k} {10 k} \ notag \]

\ [A_v = -1.2 \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Характеристика многосекционной схемы на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Прирост второго уровня –

\ [A_ {v2} = – \ frac {R_f} {R_i || R_a} \ notag \]

\ [A_ {v2} = – \ frac {12 k} {10 k || 20 k} \ notag \]

\ [A_ {v2} = −1.8 \ notag \]

Прирост третьего уровня –

\ [A_ {v3} = – \ frac {R_f} {R_i || R_a || R_b} \ notag \]

\ [A_ {v3} = – \ frac {12 k} {10 k || 20 k || 15 k} \ notag \]

\ [A_ {v3} = −2.6 \ notag \]

Соответствующие выходные перерывы:

\ [V_ {break1-out} = A_v V_ {break1-in} \ notag \]

\ [V_ {break1-out} = −1,2 × 1,7 \ notag \]

\ [V_ {break1-out} = −2,04 V \ notag \]

\ [V_ {break2-out} = V_ {break1-out} + A_ {v2} (V_ {break2-in} – V_ {break1-in} ») \ notag \]

\ [V_ {break2-out} = −2,04 В + (- 1,8) × (2,9 В − 1,7 В) \ notag \]

\ [V_ {break2-out} = −4,2 В \ notag \]

Полученная кривая показана на рисунке \ (\ PageIndex {8} \).{\ circ} \) в большом диапазоне температур.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Отклик датчика температуры для примера \ (\ PageIndex {3} \).

Прежде всего, чтобы компенсировать возрастающую кривую, требуется спадающая кривая зеркального отображения. Для схемы потребуется только одна диодная секция; однако он не будет симметричным. Положительный разрыв происходит при 30 градусах (3 В), а отрицательный разрыв происходит при -40 градусов (-4 В). В этом диапазоне коэффициент усиления останется равным единице.{\ circ} \), его нужно умножить на обратную величину – выигрыш 8/10. Требуемая кривая передачи показана на рисунке \ (\ PageIndex {10} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): желаемая кривая передачи для примера \ (\ PageIndex {3} \).

Если \ (R_f \) и \ (R_i \) произвольно выбраны равными 10 k \ (\ Omega \), результирующая комбинация \ (R_a || R_f \) должна быть 8 k \ (\ Omega \), чтобы добиться этого выигрыша. \ (R_a \) тогда можно найти:

\ [R_a || R_f = 8 к \ нотаг \]

\ [\ frac {1} {R_a} + \ frac {1} {10 k} = \ frac {1} {8 k} \ notag \]

\ [R_a = 40 к \ нотаг \]

Поскольку точки излома уже определены как 3 и -4 В соответственно, все, что нужно сделать, это компенсировать прямое падение другого диода.

\ [V_ {z +} = 3 В – 0,7 В \ notag \]

\ [V_ {z +} = 2,3 В \ notag \]

\ [V_ {z-} = – (4 В – 0,7 В) \ notag \]

\ [V_ {z-} = −3,3 V \ text {(использовать абсолютное значение)} \ notag \]

Поскольку эта схема инвертирует сигнал, может быть целесообразно включить инвертирующий буфер для компенсации. Полученная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {11} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Схема коррекции для преобразователя в примере \ (\ PageIndex {3} \).

Одна из проблем с формой Зенера заключается в том, что наклон передаточных кривых изменяется медленно. Из-за этого не так-то просто получить точный контроль над формой. Следовательно, во время проектирования иногда требуется много проб и ошибок. Кроме того, доступен ограниченный диапазон значений стабилитрона. В более точной форме используется схема с диодом со смещением.

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Функциональный генератор смещения диода.

Схема возрастающей функции усиления, использующая метод смещения диодов, показана на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).Соответствующая ему передаточная кривая показана на рисунке \ (\ PageIndex {13} \). Для каждой точки излома требуется один диод и пара резисторов. Даже если точки излома симметричны для положительных и отрицательных входов, для каждой полярности потребуется один набор компонентов. Основная концепция такая же, как у подхода Зенера; при включении секций с все более высоким входным напряжением резисторы будут размещены параллельно с резисторами обратной связи базы, тем самым изменяя коэффициент усиления. Как и в случае с подходом Зенера, характеристика убывающего усиления формируется путем размещения сети поперек \ (R_f \) вместо \ (R_i \).Давайте посмотрим, как реагирует отдельный раздел.

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Передаточная характеристика смещенного диодного функционального генератора.

Для каждой точки останова требуется блокирующий диод, резистор усиления и резистор смещения. Резисторы \ (R_2 \) и \ (R_3 \) вместе с диодом \ (D_1 \) составляют единую секцию для отрицательных входных напряжений. В условиях низкого уровня сигнала \ (D_1 \) выключен и блокирует прохождение тока. Фактически, секция представляет собой разомкнутую цепь. Если входной потенциал становится достаточно отрицательным, включается \ (D_1 \), тем самым помещая \ (R_2 \) параллельно с \ (R_1 \) и увеличивая коэффициент усиления.Наклон (усиление) передаточной кривой:

\ [\ text {Slope} = – \ frac {R_f} {R_1 || R_2} \ notag \]

Точка излома возникает, когда на катоде \ (D_1 \) падает примерно -0,7 В (с учетом кремния). На этом этапе перепад высоты \ (R_3 \) должен быть

.

\ [V_ {R_3} = V_ {CC} + 0,7 В \ notag \]

Перепад на \ (R_2 \) должен быть

\ [V_ {R_2} = V_ {дюйм} – 0,7 В \ notag \]

Прямо перед тем, как \ (D_1 \) станет проводником, ток через \ (R_2 \) должен быть равен току через \ (R_3 \).

\ [\ frac {V_ {R_3}} {R_3} = \ frac {V_ {R_2}} {R_2} \ notag \]

\ [\ frac {V_ {CC} + 0,7 В} {R_3} = \ frac {V_ {in} – 0,7 В} {R_2} \ notag \]

В этот момент \ (V_ {in} \) равно точке останова. Решение относительно \ (V_ {in} \) дает

\ [V_ {in} = V_ {точка останова} = R_2 R_3 (V_ {CC} + 0,7 В) + 0,7 В \ notag \]

или в грубом приближении

\ [V_ {точка останова} \ приблизительно \ frac {R_2} {R_3} V_ {CC} \ notag \]

Ошибка аппроксимации может быть минимизирована использованием германиевых диодов.Обратите внимание, что, поскольку точки излома устанавливаются соотношением резисторов, возможен очень жесткий контроль кривой. При проектировании функциональной схемы требуемые наклоны определяют номиналы резисторов усиления. Для простоты использования потенциалы смещения установлены на положительную и отрицательную шины питания. Зная эти элементы и требуемые напряжения в точке излома, можно рассчитать необходимые значения резистора смещения.

Компьютерное моделирование

Моделирование с использованием техники смещенного диода представлено на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).Здесь схема была разработана так, чтобы отображать ответ, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {16} \) из примера \ (\ PageIndex {1} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {14a} \): Синтезатор смещенных диодных функций в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {14b} \): Формы сигналов функционального синтезатора.

Обратите внимание, что здесь используются те же значения для резисторов обратной связи, что и в версии схемы со стабилитроном. Единственный новый расчет был для резисторов смещения (40.3 k \ (\ Omega \)), чтобы установить выходные точки останова. Чтобы четко увидеть эффект усиления, в качестве входа используется треугольная волна. Поскольку форма входного сигнала состоит из красивых, прямых диагональных линий, характеристика усиления будет отражена в форме выходного сигнала. Это очевидно на графике анализа переходных процессов. Обращает на себя внимание инверсия сигнала, но более интересным и важным моментом является изменение наклона, которое происходит, когда выходной сигнал достигает примерно 4,5 вольт. Это примерно то место, где была рассчитана выходная точка останова, и снижение усиления выше этой точки вполне очевидно.

.