Рис. 3.1. Блок-схема функционального генератора (а) и диаграммы, иллюстрирующие его работу: переключения релейного элемента (б), преобразования треугольного напряжения в синусоидальное (в) и формы выходных сигналов (г)
3.1.2. Функциональные генераторы с интегратором на интегральном операционном усилителе
Принцип построения функциональных генераторов на основе интегратора со 100%-ной отрицательной емкостной обратной связью поясняет рис. 3.1. Основой генератора является интегратор И, построенный на интегральном операционном усилителе ОУ, и релейный элемент (РЭ) (рис. 3.1, а). Релейный элемент имеет гистерезисную передаточную характеристику, показанную на рис. 3.1, б.
При нарастании линейно-изменяющегося напряжения с выхода интегратора релейный элемент переключается (напряжение на выходе падает с U2>0 до U1<0), что ведет к изменению направления интегрирования интегратора И. Напряжение на его выходе становится линейно-падающим, и когда оно падает ниже уровня U1 РЭ вновь срабатывает, и напряжение на его выходе становится равным U2>0. Направление интегрирования вновь меняется, и процессы повторяются.
Как следует из описанного, функциональный генератор является типичным представителем релаксационных генераторов на основе релейного элемента, подобного широко известному триггеру Шмитта. При этом желательно (и даже необходимо), чтобы РЭ имел симметричную передаточную характеристику, удовлетворяющую условию U2=|U|. Это ограничивает число походящих типов релаксационных генераторов, применяемых для построения функциональных генераторов.
Прямоугольные и треугольные импульсы (рис. 3.1, г) получаются вполне естественно, как результат работы релаксационного генератора. Но для получения синусоидального напряжения приходится использовать специальный нелинейный преобразователь Пр, функции которого поясняет рис. 3.1, в. Создание такого преобразователя является достаточно сложной технической задачей, и некоторые ее решения описаны далее.
Рис. 3.1. Блок-схема функционального генератора (а) и диаграммы, иллюстрирующие его работу: переключения релейного элемента (б), преобразования треугольного напряжения в синусоидальное (в) и формы выходных сигналов (г)
3.1.3. Пример простой схемы функционального генератора
Довольно простая схема типичного функционального генератора, представленная на рис. 3.2, иллюстрирует принцип построения этого устройства. В генераторе могут использоваться любые универсальные операционные усилители с разнополярным питанием и симметричными передаточными характеристиками.
Рис. 3.2. Простая схема функционального генератора на интегральных операционных усилителях
Генератор содержит триггер на двух операционных усилителях А1 и А2 с ограничителем напряжения на светодиодах (эти приборы применены не потому, что они излучают свет, а вследствие своего повышенного прямого напряжения). Триггер управляет направлением интегрирования интегратора на операционном усилителе A3. Скорость линейного изменения напряжения на выходе A3 задается емкостью конденсатора Си величиной сопротивления резистора R. Обычно резистором R задается плавное изменение скорости изменения напряжения в 10—20 раз, а изменением С— фиксированное изменение скорости.
Если сигнал на выходе интегратора растет, то при достижении верхнего порога триггера он переключается, и направление интегрирования интегратора меняется — напряжение на его выходе начинает линейно падать, пока не достигнет нижнего порога интегрирования. При этом триггер вновь переключается, и направление интегрирования меняется, и т. д.
На выходе триггера формируются прямоугольные импульсы, а на выходе интегратора — треугольные. Для получения близкого к синусоидальному сигнала используется ограничитель треугольного напряжения. В данном случае он выполнен на операционном усилителе А4 с диодным ограничителем (тоже на светодиодах).
Параметры такого простого функционального генератора (прежде всего, максимальная частота и амплитуда сигнала) всецело зависят от применяемых операционных усилителей. Обычные операционные усилители могут использоваться до частот в десятки килогерц и при амплитудах до 10—15 В. Однако новейшие сверхширокополосные операционные усилители могут использоваться для построения функциональных генераторов с частотами до десятков мегагерц, но с амплитудой импульсов до 3—5 В.
Дьяконов В. П.Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 с, ил.