Функциональный генератор на оу. Функциональный генератор на ОУ: схема, принцип работы и применение

alexxlabРазное
Как работает функциональный генератор на операционном усилителе. Какие сигналы он может генерировать. Для чего используется такой генератор. Как собрать простую схему функционального генератора своими руками.

Содержание

Принцип работы функционального генератора на ОУ

Функциональный генератор на операционном усилителе (ОУ) — это электронное устройство, способное генерировать различные формы сигналов, включая синусоидальные, треугольные и прямоугольные. Основой такого генератора служит мультивибратор на ОУ. Принцип его работы заключается в следующем:

  • Самовозбуждение обеспечивается положительной обратной связью через делитель напряжения
  • Период колебаний определяется временем перезарядки конденсатора через резистор
  • На выходе ОУ формируются прямоугольные импульсы со скважностью 2 («меандр»)
  • На конденсаторе формируется напряжение, меняющееся по экспоненциальному закону

Для получения линейного треугольного напряжения вместо резистора используется двуполярный источник тока. А для формирования пилообразного напряжения обеспечивается зарядный ток в несколько десятков раз больше разрядного.


Основные узлы функционального генератора

Типичный функциональный генератор на ОУ состоит из следующих основных узлов:

  1. Мультивибратор на операционном усилителе — формирует базовые колебания
  2. Двуполярный регулируемый источник тока — обеспечивает линейность треугольного сигнала
  3. Выпрямительный мост — формирует пилообразное напряжение
  4. Истоковый повторитель — согласует выходное сопротивление
  5. Цепи переключения диапазонов и формы сигнала

Такая схема позволяет получить на выходе сигналы различной формы в широком диапазоне частот.

Виды генерируемых сигналов

Функциональный генератор на ОУ способен генерировать следующие основные виды сигналов:

  • Прямоугольные импульсы (меандр)
  • Треугольное напряжение
  • Пилообразное напряжение положительной и отрицательной полярности
  • Синусоидальное напряжение (при добавлении формирователя синуса)

При этом для каждого вида сигнала можно регулировать частоту, амплитуду и в некоторых случаях скважность. Это делает такой генератор универсальным инструментом для тестирования и отладки электронных схем.


Диапазон частот и характеристики сигналов

Типичные характеристики сигналов, генерируемых функциональным генератором на ОУ:

  • Диапазон частот: от 20 Гц до 20-50 кГц
  • Амплитуда выходного сигнала: до 10 В (размах)
  • Формы сигнала: прямоугольный, треугольный, пилообразный
  • Регулировка частоты: плавная в пределах поддиапазона
  • Количество поддиапазонов: 3-4

Конкретные параметры зависят от используемой элементной базы и схемотехнических решений. Верхний предел частоты обычно ограничен быстродействием применяемого операционного усилителя.

Преимущества функционального генератора на ОУ

Функциональный генератор на операционном усилителе имеет ряд достоинств:

  • Простота схемотехнического решения
  • Низкая стоимость компонентов
  • Возможность генерации различных форм сигнала
  • Широкий диапазон выходных частот
  • Высокая стабильность частоты и амплитуды
  • Возможность плавной регулировки параметров
  • Простота в настройке и эксплуатации

Это делает такие генераторы удобными для применения в лабораторной практике и при разработке электронных устройств.


Области применения функционального генератора

Функциональный генератор на ОУ находит широкое применение в различных областях электроники и радиотехники:

  • Настройка и проверка усилителей звуковой частоты
  • Тестирование цифровых и аналоговых электронных схем
  • Проверка характеристик фильтров и других частотно-зависимых цепей
  • Имитация различных сигналов при отладке устройств
  • Учебные и демонстрационные цели в лабораториях
  • Генерация тестовых сигналов в измерительных приборах

Возможность получения сигналов разной формы делает такой генератор универсальным инструментом для разработчиков электроники.

Схема простого функционального генератора

Рассмотрим принципиальную схему простого функционального генератора на одном операционном усилителе:

«` DA1
C1 R1 R2 R3 Выход +Uпит
-Uпит «`

Основные элементы схемы:

  • DA1 — операционный усилитель (например, К140УД6 или аналог)
  • R1 — резистор, задающий ток заряда/разряда конденсатора
  • C1 — конденсатор, определяющий частоту генерации
  • R2, R3 — делитель напряжения для создания положительной обратной связи

Принцип работы: конденсатор C1 заряжается и разряжается через резистор R1. Когда напряжение на C1 достигает порогового значения, заданного делителем R2R3, ОУ переключается, меняя направление тока через R1. Это приводит к генерации прямоугольных импульсов на выходе ОУ и треугольного напряжения на конденсаторе.


Настройка и эксплуатация генератора

При сборке и настройке функционального генератора на ОУ следует учитывать следующие моменты:

  1. Выбор ОУ с достаточным быстродействием для требуемого диапазона частот
  2. Подбор номиналов R1 и C1 для получения нужного диапазона частот
  3. Настройка коэффициента передачи цепи обратной связи (R2/R3) для устойчивой генерации
  4. Использование качественных компонентов для повышения стабильности параметров
  5. Экранирование схемы для уменьшения влияния помех

При эксплуатации генератора важно соблюдать допустимый диапазон выходных напряжений и токов, а также учитывать возможное влияние нагрузки на параметры выходного сигнала.

Модификации и улучшения базовой схемы

Базовую схему функционального генератора на ОУ можно модифицировать для расширения возможностей:

  • Добавление переключателя диапазонов частот
  • Введение цепи формирования синусоидального сигнала
  • Реализация модуляции выходного сигнала
  • Добавление выходного усилителя для увеличения мощности
  • Использование цифровых схем для точной установки частоты
  • Введение температурной компенсации для повышения стабильности

Эти модификации позволяют создать более универсальный и точный прибор, подходящий для широкого круга задач.



Функциональный генератор на ОУ — Технарь

Генератор сигналов, о котором пойдет речь, собран всего на одном ОУ и двух полевых транзисторах. Его с успехом могут повторить даже начинающие радиолюбители. Прибор генерирует напряжения прямоугольной и треугольной формы частотой от 20 Гц до 20 кГц, а также пилообразные колебания положительной и отрицательной полярности частотой от 40 Гц до 40 кГц.


Рис. 1. Упрощенная схема мультмвибратора на ОУ.

Основой генератора служит мультивибратор на ОУ, упрощенная схема которого приведена на рис. 1. Самовозбуждение мультивибратора обеспечивается положительной обратной связью через делитель R2R3, период колебаний определятся временем перезарядки конденсатора С1 через резистор R1 до уровня, заданного этим делителем, На выходе ОУ формируются импульсы прямоугольной формы со скважностью 2 (“меандр”).

Так как конденсатор С1 перезаряжается через резистор, на нем формируется изменяющееся по экспоненциальному закону напряжение. Для получения высоколинейного треугольного напряжения вместо резистора R1 необходимо включить двуполярный источник тока, а для формирования из треугольных колебаний пилообразного напряжения — обеспечить зарядный ток, в несколько десятковраз больший разрядного. Все это и реализовано в функциональном генераторе, принципиальная схема которого представлена в тексте.

Генератор состоит из мультивибратора на ОУ DA1, двуполярного регулируемого источника тока на транзисторе VT2 и выпрямительном мосте VD1 и истокового повторителя на транзисторе VT1. Нужный поддиапазон частот выбирают переключателем SA1, в пределах поддиапазона генератор перестраивают резистором R4, изменяющим ток двуполярного источника. Выключателем SA3 выбирают форму генерируемых колебаний (при замыкании его контактов частота колебаний повышается вдвое), а переключателем SA2 — полярность пилообразного напряжения. Если выключатель SA3 установлен в положение, показанное на схеме, к выходу 1 подводится треугольное напряжение, а к выходам 2 и 3 — прямоугольное (“меандр”). При замкнутых контактах этого выключателя на выход 1 поступают пилообразные колебания, а на выходы 2 и 3 — короткие импульсы, совпадающие (по времени и длительности) с их обратным ходом. Максимальная амплитуда импульсов на выходе 1 — 0,5…2 В, на выходе 2 — 10 В (в первом случае амплитуду регулируют резистором R3, во втором — резистором R6).

Вместо ОУ К140УД6 в генераторе можно применить К140УД7, К140УД8, вместо транзисторов КПЗОЗВ — КПЗОЗБ, КП307Е, сборки КПС104Б, КПС104Г, КПС104Д, а также транзисторы КП103Е, КП103Ж, КП103И (при использовании последних полярность включения моста VD1 необходимо изменить на обратную, а вывод стока транзистора VT1 и верхний по схеме вывод резистора R3 поменять местами), Постоянные резисторы могут быть типа ВС или МЛТ, подстроечный — СПЗ-1, СП5-2 или СП5-16, переменные — СП или СПО. Оксидные конденсаторы С4, С5 — К50-3, К50-6 или К53-1, С1, С6 — К50-6 или К53-7, остальные — МБМ или КМ. Выпрямительный мост VD1 и диоды VD2, VD3 можно заменить диодами серий КД503, КД510, КД522 и т. п. Переключатель SA1 — ПМ или МПН-1; SA2, SA3 — П2К или МТ1.

Рис. 2. Конструкция генератора.

Возможный вариант конструкции генератора изображен на рис. 2, а его внешний вид — на рис. 4. Все детали смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, служащей одновременно и передней панелью прибора. Между ней и фальшланелью из органического стекла помещен лист бумаги, на который нанесены обозначения органов управления и гнезд. Примерное расположение монтажных площадок, к которым припаяны выводы деталей, показано на рис. 3 вкладки.

Рис. 3. Примерное расположение контактных площадок на печатной плате и схема соединений на ней

Неиспользуемые выводы ОУ и транзисторов при монтаже обкусывают.

При налаживании генератора подключают осциллограф к выходу 1 и подстроечным резистором R1 добиваются максимально возможной амплитуды неискаженного треугольного напряжения во всем интервале частот. Затем подбирают конденсаторы С1—СЗ до получения частотных поддиапазонов 20…200 Гц (С1), 0,2… 2 кГц (С2) и 2…20 кГц (СЗ) с запасом на краях не менее 10 %. И наконец, градуируют шкалу, используя частотомер или образцовый генератор и осциллограф.

Рис. 4. Внешний вид генератора.

Если необходимы пилообразное и треугольное напряжения амплитудой до 10 В, взамен истокового повторителя на транзисторе VT1 следует применить усилитель на ОУ К140УД6 с коэффициентом передачи в пределах 5…20 (подбирают экспериментально). В заключение следует указать, что верхнюю границу диапазона генерируемых сигналов можно значительно повысить, применив более быстродействующий ОУ.

Метки: генераторгенераторы на операционных усилителяхнапряжение прямоугольной и треугольной формыоперационный усилительтранзисторыФункциональный генератор на ОУ

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: Fвых=(40/С)·(UR2/Uпит), где С — ем-кость подключенного частотозадающего конденсатора, мкФ; UR2 — напряжение на движке переменного резистора R2, В; Uпит — напряжение питания, В.

Поскольку ОУ питается однопо-лярным напряжением, значение UR2 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.

Генератор сигналов-Gwinstek

На протяжении десятилетий компания GWIInstek является одним из основных поставщиков источников сигналов для пользователей по всему миру, предлагая передовые продукты.

 

Генератор сигналов:

 

С точки зрения сигнала и системы информация обычно передается в форме синусоидальных волн.

 

Аналоговый сигнал: сигнал представляет собой непрерывный функциональный сигнал во временной области, а также вездесущий сигнал вокруг вас.

Цифровой сигнал: Цифровой сигнал представляет собой цифровое представление сигнала с дискретным временем, которое обычно получают из аналогового сигнала.

 

Самый простой сигнал — это синусоида.

 

Но во многих случаях все виды сигналов широко используются в различных случаях, например, прямоугольные волны часто используются в цифровых системах или управлении напряжением, модулированные сигналы и шум используются в системах связи, импульсные сигналы используются в радиолокационных системах, и сигналы произвольной формы предназначены для множества различных приложений.

 

Генераторы сигналов, которые объединяют синусоидальные, прямоугольные и треугольные выходные сигналы, называются функциональными генераторами.

 

GW Instek предлагает широкий выбор генераторов сигналов, включая генераторы функций, генераторы AM/FM-сигналов, генераторы аудиосигналов и генераторы радиочастотных сигналов. Генераторы функциональных сигналов можно разделить на две категории: генераторы функций DDS и генераторы аналоговых функций.

 

АФГ-3032

АФГ-3081

MFG-2160MR

Генераторы сигналов произвольной формы

Генераторы произвольных функций

Генераторы радиочастотных сигналов

Генераторы функций DDS

Генераторы аналоговых функций

Другие источники сигнала

Отфильтровано по

Отфильтровано по
Аналоговый канал
Диапазон частот

0,1 Гц ~ 12 МГц

0,1 Гц ~ 25 МГц

0,1 Гц ~ 5 МГц

1 мкГц ~ 50 МГц

1 мкГц ~ 80 МГц

1 мкГц ~10 МГц

1 мкГц ~20 МГц

1 мкГц ~30 МГц

1 мкГц ~60 МГц

Разрешение по частоте

0,1 Гц

1 мкГц

Частота дискретизации

200 Мвыб/с

20 Мвыб/с

250 Мвыб/с

Скорость повторения

100 МГц

100 Мвыб/с

10 Мвыб/с

125 Мвыб/с

Вертикальное разрешение

10-битный

14-битный

16-битный

Объем памяти

16к очков

1 млн баллов

4к очков

8 миллионов очков

Отображать

3,5-дюймовый 3-цветный ЖК-дисплей

4,3-дюймовый ЖК-дисплей TFT

Единица амплитуды

дБм

Впп

Среднеквадратичное значение

Переключатель импеданса

50 Ом / Hi-Z

Внутренняя память

10 групп

Квадратное время нарастания/спада
Квадратный рабочий цикл

0,01%~99,99%

1% ~ 99%

20% ~ 80%

20% ~ 80% (

20% ~ 80% (

40%~60% (25M~30MHz)

Базовая форма сигнала

Шум

Импульс

Рампа

Синус

Квадрат

Треугольник

Расширенная форма волны

Взрыв

Функция счетчика

Функция счетчика (расш. )

Подметать

Развертка (только AFG-2100)

Модуляция

АМ

AM (только AFG-2100)

AM (ожидается MFG-2120/2110)

ФМ

FM (только AFG-2100)

FM (ожидается MFG-2120/2110)

ФСК

ФСК (только AFG-2100)

ФСК (ожидается MFG-2120/2110)

PM

PM (ожидается MFG-2120/2110)

ШИМ

ШИМ (ожидается MFG-2120/2110)

СУММА (только AFG-3032/3022)

СУММА (ожидается MFG-2120/2110)

Разветвление

Выход синхронизации

ТТЛ-выход

Другая функция

Ссылка DSO

Изолирующая конструкция

Усилитель мощности (только MFG-2260MRA/2260MFA/2120MA)

ВЧ-генератор (только MFG-2260MRA/2260MFA/2160MR/2160MF)

Дисплей напряжения

Другой ввод/вывод

доб. Вход модуляции

доб. Вход модуляции (только AFG-2100)

доб. Вход модуляции (ожидается MFG-2120/2110)

доб. Триггерный вход

доб. Триггерный вход (только AFG-2100)

доб. Триггерный вход (кроме MFG-2120/2110)

Выход маркера

Выход маркера (ожидается MFG-2120/2110)

Выход модуляции

Выход модуляции (только AFG-2100)

Триггерный выход

Триггерный выход (ожидается MFG-2120/2110)

Интерфейс

ГПИБ

РС-232С

RS-232C (только AFG-3031/3032)

USB-устройство

USB-хост

Поддержка программного обеспечения

Драйвер LabView

Программное обеспечение для ПК