3.1.4. Функциональные генераторы, управляемые напряжением или током

При построении простых функциональных RC-генераторов возможности управления их параметрами (прежде всего, частотой) оказываются ограниченными. Так, в генераторе на рис. 3.1 грубое изменение частоты можно организовать переключением конденсатора С, а плавное изменение частоты осуществляется измерением R. Кратность плавного изменения частоты может достигать десятков — сотен раз.

Однако для современных функциональных генераторов обычно необходима реализация электронного изменения частоты, а нередко и других параметров, например, несимметрии нарастающей и падающей частей треугольного (а нередко и "синусоидального") напряжения. Электронное изменение частоты с помощью управляющего напряжения или тока превращает функциональный генератор в генератор качающейся частоты и позволяет применять его для снятия амплитудно-частотных (АЧХ) и фа-зочастотных (ФЧХ) характеристик различных устройств и систем.

В принципе есть два способа электронного управления частотой функционального генератора:

•    изменением токов заряда и разряда конденсатора;

•    изменением уровней U1 и U2 срабатывания релейного элемента.

Второй способ обычно ведет к изменению амплитуды выходных сигналов, что чаще всего нежелательно. В связи с этим далее рассматриваются только такие структуры функциональных генераторов, у которых управление частотой реализовано только изменением тока заряда и разряда конденсатора. Заметим, что в общем случае различие уровней зарядного и разрядного тока позволяет получать несимметричные по длительности полупериодов сигналы.

На рис. 3.3 показана обобщенная блок-схема функционального генератора, управляемого напряжением U0, в частности, снимаемого с прецизионного проволочного потенциометра Rf. Блок управления частотой (БУЧ) создает пару напряжений или токов, которые могут иметь дополнительные приращения для осуществления частотной модуляции. Для этого на "вход ЧМ" подается модулирующее напряжение от относительно низкочастотного генератора.

Рис. 3.3. Блок-схема управляемого и частотно-модулированного функционального генератора

На вход интегратора подаются попеременно (с помощью электронного коммутатора (ЭК)) напряжения или токи разной полярности, которые и определяют времена заряда и разряда конденсатора интегратора. Не учитывая частотную модуляцию для времен заряда и разряда конденсатора токами Iз и Iр, можно записать идеализированные выражения:

Для случая генерации симметричных колебаний (I=Iз=Iр):

Чаще всего ЭК строится в виде мостовой схемы на кремниевых диодах с малыми обратными токами. Наилучшими являются диоды Шоттки, которые имеют малые напряжения в открытом состоянии, отличаются высоким быстродействием и практически не имеют задержки переключения из открытого состояния в закрытое.

Различают две основные блок-схемы функциональных генераторов. В первой, показанной на рис. 3.4, применяется блок управления частотой с преобразователем напряжения в напряжение (БУЧ-ПНН). В этом случае ЭК на основе диодного моста подключает к входу интегратора на ИОУ со 100%-ной емкостной обратной связью.

Рис. 3.4. Блок-схема функционального генератора с переключаемым напряжением на входе интегратора

В другом варианте блок-схемы (рис. 3.5) применяется блок управления частотой с преобразователем напряжения в ток (БУЧ-ПНТ). При этом в роли интегратора используется конденсатор Си с одной из заземленных обкладок. Для снятия с конденсатора пилообразного напряжения приходится использовать буферный усилитель БУ с как можно большим входным сопротивлением и хорошими частотными свойствами (частотой отсечки намного большей максимальной частоты генерации).

Рис. 3.5. Блок-схема функционального генератора с переключаемым током на входе интегратора-конденсатора

Практика и теоретические расчеты показали, что блок-схема на рис. 3.5 имеет явные преимущества перед блок-схемой на рис. 3.4: упрощается коммутация конденсатора С в многодиапазонных функциональных генераторах, меньше искажения треугольных импульсов в области вершин, на порядок и выше (при той же элементной базе) максимальная частота генерации.

Генераторы на дискретной элементной базе (но с применением интегральных операционных усилителей первых поколений) позволяли получить верхнюю генерируемую частоту 1 МГц. Но и в этом случае приходилось использовать ряд схемотехнических приемов для получения сигналов с близкими к идеальным формами:

•    температурную стабилизацию и компенсацию падений напряжения на открытых диодах ЭК;

•    тщательный отбор интегральных операционных усилителей для реализации функций интегрирования;

•    построение достаточно сложных схем преобразователей напряжения в напряжение и напряжения в ток;

•    создание специальных преобразователей треугольного напряжения в синусоидальное с малым коэффициентом нелинейных искажений последнего;

•    осуществление специальных мер по конструктивному исполнению генераторов и их экранировки как внешней, так и внутренней.

Трудности в построении функциональных генераторов многократно возрастали при увеличении максимальной частоты генерации с 1 до десятков МГц. Они стали по существу непреодолимыми, и лишь с разработкой новых поколений интегральных широкополосных усилителей и (особенно) специализированных интегральных микросхем функциональных генераторов появилась возможность создания действительно малогабаритных и легких устройств этого типа с максимальными частотами, достигающими десятков МГц.

Дьяконов В. П.Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 с, ил.