Генераторы синусоидальных колебаний

Однако в некоторых устройствах, например в эталонных генераторах, применяемых в прецизионных радиотехнических и измерительных системах, требуется дополнительная стабилизация частоты, которая обычно осуществляется с помощью кварцевого кристалла, включаемого в цепь положительной ОС генератора рис. 4.15.

Высокая   избирательность   кристалла   в значительной   степени   стабилизирует резонансное значение частоты генерации,  задаваемое цепью положительной ОС. В этой схеме элементы R и С предназначены в основном для фильтрации высших гармонических составляющих сигнала и выбираются с учетом резонансного импеданса кристалла. При резонансе кристалл обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, т. е импеданс представляет собой активное сопротивление. Это сопротивление заменяет один из резисторов в цели положительной ОС ОУ. Для того чтобы выполнить условие согласования резонансной частоты кристалла и частоты моста Вина, величину резистора R подбирают равной резонансному сопротивлению кристалла, а значение емкости конденсаторов С определяют из выражения RC =  1/(2pf_выx).

Цепь АРУ, подключенная к инвертирующему входу ОУ, компенсирует изменения резонансного сопротивления кристалла с температурой, поддерживая тем самым амплитуду и частоту выходных сигналов постоянной. Однако при больших изменениях температуры для лучшей стабилизации параметров выходного напряжения генератора в цепь положительной ОС последовательно с кварцевый кристаллом следует включить добавочный резистор не большого номинала. В этом случае величина резистора R должка быть равна сумме значений добавочного резистора и резонансного сопротивления кристалла.

                             

Рис. 4.16. Регулировка амплитуды Рис. 4.17. Регулировка амплитуды

выходного сигнала генератора  выходного сигнала генератора

в пределах 0 – 10 В    резистором в цепи АРУ

 

4.3.3. Регулировка амплитуды выходного напряжения.

Схема генератора синусоидальных колебаний, амплитуда которых может регулироваться потенциометром Rр приведена на рис. 4.16. Частота генераций определяется элементами моста Вина и равна 400 Гц. Цепь АРУ на ПТ обеспечивает стабилизацию амплитуды генерируемых сигналов на уровне 10 В.

Такой метод изменения величины выходного напряжения может быть использован в любой из рассмотренных выше схем генераторов синусоидальных сигналов. Однако при таком включении потенциометра стабильность работы генератора и линейность регулировки величины напряжения на его выходе существенно зависят от значения входного импеданса схемы, на которую нагружен   данный генератор

В схеме генератора на рис 4.17 амплитуда выходного напряжения регулируется потенциометром R7, который изменяет порог включения цепи АРУ, построенной на основе кремниевого диода Д. Когда прямое падение напряжения на диоде достигает нескольких сотен милливольт, диод открывается и уменьшает коэффициент усиления ОУ, стабилизируя тем самым амплитуду выходного сигнала на уровне, определяемом положением движка потенциометра  R7.

Настройка схемы осуществляется следующим образом. Перемещением движка потенциометра R7 диод Д подключается к выходу генератора Затем подбирается значение подстроечного резистора R4,  при котором возникает генерация. В этих условиях размах амплитуды выходного сигнала схемы должен быть равен » 300 мВ. Если это выполняется, то при перемещении движка потенциометра R7 в другое крайнее положение размах напряжения на выходе генератора будет изменяться от 500 мВ до 9 В; при этом искажения формы синусоидальных колебаний незначительны. При указанных на рисунке номиналах схема генерирует колебания частотой   1   кГц.

Общим недостатком рассмотренных  в этом разделе схем является то, что в них при регулировке амплитуды выходного напряжения существенно изменяются нелинейные искажения генерируемых сигналов и в определенных режимах они могут достигать нескольких процентов. Поэтому для построения прецизионных генераторов колебаний с регулируемой амплитудой следует выбрать усилители с управляемым коэффициентом усиления на выходе стабилизированного по амплитуде генератора. В качестве такого генератора можно использовать любой рассмотренный в этом разделе.

4.3.4. Регулировка частоты генератора.

Чаще всего перестраиваемые  по частоте генераторы строятся на основе моста Вина со стабилизируемой  амплитудой, как показано на рис 4.18.

 

                                   

Рис. 4.18. Генератор с  регулировкой Рис. 4.19. Генератор колебаний

частоты сдвоенным резистором  с частотой 20 Гц – 20 кГц

 

Изменение частоты генерации в схеме осуществляется с помощью спаренных резисторов R2 и R3 величиной 10 кОм. Чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной во всем диапазоне частот, на инвертирующем входе ОУ включен потенциальный делитель, сформированный резистором R5 и лампочкой накаливания, имеющей номинальное значение рабочего напряжения в. пределах 12— 28 В и ток потребления не выше 50 мА. При настройке схемы величину резистора R5 подбирают так, чтобы напряжение на выходе ОУ было равно 2,5 В. В этих условиях искажения выходного синусоидального сигнала генератора не превышают 0,1%. а ток, потребляемый схемой от источников питания, равен 6 мА

С номиналами элементов, указанными на рисунке, схема имеет диапазон рабочих частот 150 Гц—1,5 кГц. При необходимости этот диапазон может быть сдвинут изменением номиналов конденсаторов С1 и С2. Однако максимальная частота генерации ограничена конечной скоростью нарастания выходного напряжении ОУ и для ОУ типа 140УД7 обычно не превышает 25 кГц (при  допустимом   уровне   искажений   выходного   сигнала)

Генератор синусоидального  напряжения с регулируемой частотой может быть построен также по принципу фильтрации по первой гармонике прямоугольных импульсов (табл 4.1) При этом метоле сигнал на выходе генератора будет стабильным по амплитуде, так как стабилизация амплитуды прямоугольного напряжения осуществляется ограничителем. Поэтому, используя генератор прямоугольных импульсов с ограничителем, можно упростить схему генератора синусоидальных колебаний с регулируемой частотой за счет отсутствия петли АРУ, необходимой для схем с мостом Вина. Поэтому такой генератор быстро запускается, и амплитуда напряжения на его  выходе  устанавливается  за  несколько периодов  колебаний.

На рис. 4.19 представлена схема генератора, в которой перестройка частоты осуществляется одним потенциометром R3. В схеме ОУ1 типа 153УД2 используется в режиме активного фильтра, а компаратор ОУ2 типа 521САЗ является генератором прямоугольного напряжения. Частота сигналов зависит от значений элементов R1, R3, С1 и С2 (табл. 4.2) Если выбрать номиналы конденсаторов С1 и С2 одинаковыми, то частота генерируемых колебаний   определится   из   выражения

                                  f =  1/(2pС₁ ÖR1R3)

В табл. 4.3 приведены значения номиналов конденсаторов, позволяющие получить   различные   частотные диапазоны.

Табл. 4.2.    Табл. 4.3.

В рассмотренной схеме  уровень нелинейных искажений изменяется от 0,75 до 2%, в зависимости от значения резистора R3. Увеличение номинала  этого резистора выше 1 кОм приведет к недопустимым искажениям, а уменьшение ниже 50 Ом — к автогенерации схемы фильтра. Получить частоты свыше 20 кГц от таких генераторов затруднительно, так как на более высоких частотах падает добротность фильтра, и на выходе появляются импульсы клинообразной формы. Нижняя частота генератора ограничивается лишь емкостью конденсаторов. Для усилителя ОУ1 в схеме использована компенсация с опережением, расширяющая полосу усиления свыше 1 МГц и увеличивающая скорость нарастания выходного напряжения до 10 В/мкс. При стандартной схеме компенсации максимальная частота, на которой имеет место полный размах амплитуды сигнала, ограничена на уровне 6 кГц. Для повышения температурной стабильности схемы следует правильно выбирать типы применяемых   резисторов и   конденсаторов.

Используя коммутаторы на МДП-транзисторах, можно построить генератор синусоидальных колебаний с фиксированным набором частот. Схема такого генератора на основе моста Вина изображена на рис. 4.20. Выходная частота задается одним из подключаемых с помощью коммутатора моста Вина  в соответствии с табл.  5.3.

Выбор частоты f1 .., f4 производится при помощи напряжения отрицательной полярности величиной — 9 В, подаваемого на один из входов схемы.

Управление частотой такого генератора может осуществляться с выхода логических схем. Если необходимо, последовательность изменения выходной частоты может быть запрограммирована  программно-временным устройством, управляющим МДП-транзисторами. Диапазон генерируемых частот легко изменить дополнительными   частотозадающими   цепями   и   коммутаторами.

Рис. 4.20. Генератор с  цифровым управлением частотой

 

4.3.5. Квадратурные генераторы.

В тех случаях, когда  необходимо получить два вида колебаний, сдвинутых на 90° друг относительно друга (синусоидальные и косинусоидальные колебания), можно использовать схему, изображенную на рис. 4.21. Усилитель ОУ1 включен по схеме активного фильтра низких частот с двумя полюсами. Усилитель ОУ2 работает в режиме интегратора. Поскольку фазовый сдвиг на отставание, вносимый обоими каскадами, составляет 270^о, схема может возбудиться при достаточно большом коэффициенте усиления и при сдвиге фаз меньше 180^о. Существующий в схеме запас коэффициента усиления обеспечивает устойчивое возбуждение генератора. Стабилизация размаха амплитуды выходного сигнала осуществляется включением в схему генератора ограничивающих стабилитронов Д1и Д2. Наличие диодов приводит к возникновению нелинейных искажений синусоидального сигнала, однако влияние последних уменьшается при использовании фильтров, пропускающих низкие частоты. Если диоды Д1 и Д2 имеют одинаковые пороговые напряжения, то в результате симметричного ограничения сигнала практически исключаются искажения в виде четных гармоник. Поэтому основной помехой будет третья гармоника, причем ее уровень составляет — 40 дБ от уровня полезной первой гармоники на выходе усилителя OУ 1 и — 50 дБ на выводе ОУ2. Это означает, что гармонические искажения синусоидального и косинусоидального сигналов не  превышают 1 и 0,3%  соответственно.

Рис. 4.21. Квадратурный генератор  на двух ОУ

Частота генерации и  порог возбуждения схемы определяются выбором номиналов прецизионных элементов R1—R3 и С1—СЗ, которые должны иметь малые разбросы и температурные коэффициенты. Номинал резистора R3 можно выбрать меньшим, чем указано на рис. 4.21; при этом допускается использовать другие элементы с большим разбросом без существенного ухудшения условий возбуждения. Номинал резистора R4 не критичен, но следует учитывать, что он должен быть значительно меньше номинала резистора R2, чтобы падение напряжения на резисторе R4 было незначительным, когда ограничивающие диоды открыты. С указанными номиналами элементов схема генерирует колебания частотой 1 Гц Заменив элементы, задающие частоту выходных сигналов, можно расширить рабочий диапазон частот схемы до 1   кГц.

 

 Рис. 4.22. Квадратурный  генератор с регулируемой частотой  колебаний

 

Более совершенная схема  квадратурного оператора с использованием перемножителей напряжения для управления цепью ОС показана на рис. 4.22. В этой схеме имеется возможность регулировки частоты синусоидальных и косинусоидальных сигналов с помощью управляющего напряжения Uупр.

При изменении управляющего напряжения меняется частота колебаний в соответствии с выражением f = Uупр/20pRC) Следует отметить, что в приведенной схеме генератора наблюдается некоторая зависимость амплитуды выходных сигналов от частоты Поэтому для ликвидации этой зависимости необходимо дополнить схему одной из рассмотренных выше цепей АРУ.

Схему такого генератора с регулируемой частотой удобно использовать в качестве частотного или амплитудно-частотного модулятора. Диапазон изменения рабочих частот генератора определяется перемножителями и равен 100. .