Генератор прямоугольного и треугольного напряжений

Как видно из диаграммы на рис. 33 б, в схеме мультивибратора формируется напряжение не только прямоугольной формы, но и формы, близкой к треугольной (на конденсаторе). Времязадающая RC -цепь мультивибратора выполняет приближенное интегрирование выходных прямоугольных колебаний. Заменив эту цепь интегратором на ОУ, получим генератор, на одном из выходов которого формируются прямоугольные, а на другом – треугольные колебания (рис. 35). Здесь на усилителе ОУ1 выполнен неинвертирующий триггер Шмитта, а на ОУ2 – интегратор.

Рис. 35. Схема генератора прямоугольных и треугольных колебаний

Интегратор интегрирует постоянное напряжение, имеющееся на выходе триггера Шмитта. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на его выходе U ₁ скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта. Изменяя постоянную интегрирования RC, можно перестраивать частоту формируемого напряжения в широком диапазоне. Амплитуда треугольного напряжения U ₂ зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта U _п, который для данной схемы включения триггера составляет U _М R ₁ /R ₂ (U _М – по- прежнему напряжение насыщения ОУ).

Период колебаний генератора равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменилось от – U _п до + U _п. Отсюда следует, что

Таким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня напряжения насыщения операционного усилителя.

Генераторы синусоидальных колебаний

Условия возбуждения

На рис. 36 показана блок-схема генератора. Усилитель усиливает входной сигнал в K _U раз. При этом между выходным U _вых и входным U _вх напряжениями усилителя возникает фазовый сдвиг j. К выходу усилителя подключена схема частотно-зависимой обратной связи, которая может представлять собой, например, колебательный контур. При этом напряжение, используемое для осуществления обратной связи, составляет b U _вых. Обозначим аргумент комплексного коэффициента звена обратной связи b символом y.

Рис. 36. Блок-схема электронного генератора

Условием генерации стационарных колебаний замкнутой схемой является равенство выходного напряжения схемы обратной связи и входного напряжения усилителя. Это условие записывается следующим образом:

Коэффициент петлевого усиления должен, таким образом, равняться

b К U = 1.

(40)

Из последнего комплексного соотношения вытекают два вещественных:

| b || К U| = 1.

(41)

 

j + y =0, 2p,....

(42)

Уравнение (41) называют условием баланса амплитуд, а (42) – условием баланса фаз. Баланс амплитуд означает, что незатухающие колебания в замкнутом контуре могут существовать только тогда, когда усилитель компенсирует потери в схеме обратной связи. Условие баланса фаз означает, что восполнение энергии в системе производится в такт ее собственным колебаниям.

RC-генератор синусоидальных колебаний

Простейшая схема RC -генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рис. 37а.

Рис. 37. RC-генератор синусоидальных колебаний

В качестве звена обратной связи использован полосовой RC- фильтр, частотные характеристики которого приведены на рис. 37 б. Здесь по оси абцисс отложена относительная частота W = w RC, поэтому средняя частота равна единице. Фазовый сдвиг на средней частоте y(1)=0. Следовательно, для выполнения условия баланса фаз выход звена обратной связи должен быть подключен к неинвертирующему входу ОУ. Коэффициент усиления полосового фильтра на средней частоте |b(1)|=1/3. Для выполнения условия баланса амплитуд ОУ по неинвертирующему входу должен иметь коэффициент усиления К =3. Поэтому

R 1=2 R 2

(43)

В целом, цепь, подключенная к ОУ (полосовой фильтр и делитель R ₁ R ₂), называется мостом Вина-Робинсона.

При строгом выполнении условия (43) и идеальном ОУ в схеме на рис. 37 а будут существовать незатухающие колебания с частотой f =1/2p RC. Однако амплитуда этих колебаний не будет определена. Кроме того, даже самое незначительное уменьшение R ₁ по сравнению с (43) вызовет затухание колебаний. Напротив, увеличение R ₁ по сравнению с (43) приведет к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя и, как следствие, к появлению заметных нелинейных искажений формы кривой выходного напряжения генератора. Эти обстоятельства требуют использования в составе генератора системы автоматического регулирования амплитуды. В простейшем случае для этого в качестве резистора R ₂ используют нелинейный элемент – микромощную лампу накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается.

Низкочастотные синусоидальные колебания могут быть также получены путем моделирования дифференциального уравнения синусоидальных колебаний с помощью операционных усилителей. Схема, реализующая этот метод, подобна схеме фильтра второго порядка, построенного на основе метода переменных состояния, приведенной на рис. 21. Эта схема, как и предыдущая, требует применения системы автоматического регулирования амплитуды колебаний.

Сложность обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний при минимальных искажениях выходной синусоиды существенно усложняет построение генераторов синусоидальных колебаний и управление ими. Лучшие результаты во многих случаях, особенно на низких и инфранизких частотах, дает применение так называемых функциональных генераторов.

Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рис. 38. Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжения и блок формирования синусоидального сигнала.

Рис 38. Блок-схема функционального генератора

Как показано на рис. 35, генератор прямоугольного и треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта и интегратора, образующих замкнутый контур. Блок формирования синусоидального сигнала обычно представляет собой нелинейный функциональный преобразователь, например, на основе аналогового перемножителя. Если частота генератора постоянна, то в качестве блока формирования синусоидального сигнала можно использовать также фильтр нижних частот с полосой пропускания несколько выше частоты требуемого синусоидального сигнала.

Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, микросхема МАХ038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот от 0,1 Гц до 20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75%. Лучшие результаты дает применение прямого цифрового синтеза с использованием цифро-аналоговых преобразователей.