Схема функционального генератора сигналов. Проектирование выходного каскада мощного генератора сигналов: схемотехника и компоненты

alexxlabСхем
Как спроектировать компактный и недорогой выходной каскад генератора сигналов. Какие современные ИС использовать для усиления и регулировки выходного сигнала. Чем новый подход лучше классических схем.

Содержание

Назначение и принцип работы генераторов сигналов

Генераторы сигналов используются для создания электрических сигналов определенной формы, частоты и амплитуды. Они применяются для тестирования и отладки различных электронных устройств и схем. Основные типы сигналов, генерируемых такими приборами:

  • Синусоидальные
  • Прямоугольные
  • Треугольные
  • Пилообразные
  • Импульсные

Принцип работы генератора сигналов заключается в формировании базового сигнала заданной формы, его усилении и регулировке амплитуды на выходе прибора. Классическая схема выходного каскада включает несколько каскадов усиления с переключением реле для изменения коэффициента усиления.

Недостатки классических схем выходных каскадов генераторов

Традиционные схемы выходных каскадов генераторов сигналов имеют ряд недостатков:


  • Использование механических реле для переключения коэффициентов усиления
  • Прерывистое изменение выходного сигнала при переключении
  • Сложность конструкции из-за большого количества компонентов
  • Высокая стоимость дискретных мощных элементов или специализированных ASIC
  • Ограниченный диапазон регулировки выходного уровня

Эти недостатки ограничивают возможности по миниатюризации приборов и снижению их стоимости. Поэтому актуальна задача разработки более совершенных схем выходных каскадов на современной элементной базе.

Современный подход к проектированию выходного каскада

Новый подход к построению выходного каскада генератора сигналов основан на использовании следующих ключевых компонентов:

  • Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (VGA)
  • Усилитель с токовой обратной связью (CFA)
  • Дифференциальный усилитель-приемник

Такая схема позволяет отказаться от применения реле и обеспечивает плавную регулировку выходного сигнала в широком динамическом диапазоне. При этом достигаются высокие значения выходной мощности и рабочей частоты.


Ключевые компоненты современного выходного каскада

Усилитель с регулируемым усилением (VGA)

В качестве VGA предлагается использовать микросхему AD8338 производства Analog Devices, которая обеспечивает:

  • Программируемый диапазон усиления 0-80 дБ
  • Дифференциальный вход и выход
  • Возможность компенсации асимметрии входных токов
  • Максимальную входную амплитуду 1.5 В

Применение AD8338 позволяет плавно регулировать выходную амплитуду в диапазоне 0.5 мВ — 5 В без использования дополнительных реле.

Усилитель с токовой обратной связью (CFA)

В качестве мощного выходного усилителя предлагается использовать ADA4870, обеспечивающий:

  • Выходной ток до 1 А
  • Размах выходного напряжения до 17 В при питании ±20 В
  • Рабочую частоту до 23 МГц на полной мощности

ADA4870 позволяет получить высокую выходную мощность, необходимую для тестирования ВЧ-усилителей и других приложений.

Дифференциальный усилитель-приемник

Для согласования VGA и CFA используется дифференциальный усилитель AD8130, имеющий:

  • Произведение усиления на полосу 270 МГц
  • Скорость нарастания выходного напряжения 1090 В/мкс

AD8130 преобразует дифференциальный выходной сигнал VGA в несимметричный сигнал для подачи на вход CFA.


Преимущества нового подхода к проектированию выходных каскадов

Применение описанной схемы на основе AD8338, ADA4870 и AD8130 позволяет получить следующие преимущества по сравнению с классическими решениями:

  • Плавная регулировка выходной амплитуды в широком диапазоне
  • Отсутствие разрывов и скачков при изменении уровня сигнала
  • Высокая выходная мощность — до 39 дБм на нагрузке 50 Ом
  • Широкая полоса рабочих частот — до 20 МГц
  • Компактность конструкции за счет высокой интеграции компонентов
  • Снижение стоимости и повышение надежности

Практическая реализация выходного каскада на современных ИС

Упрощенная принципиальная схема выходного каскада генератора сигналов на основе AD8338, AD8130 и ADA4870 показана на рисунке:

[Здесь должно быть изображение схемы]

Ключевые особенности схемы:

  • AD8338 обеспечивает регулировку усиления в диапазоне 0-80 дБ
  • AD8130 преобразует дифференциальный сигнал в несимметричный с усилением 1.6
  • ADA4870 включен с коэффициентом усиления 10
  • Общий коэффициент передачи каскада — 16

Данная схема позволяет получить на выходе сигнал с амплитудой до 22.4 В на нагрузке 50 Ом в полосе частот до 20 МГц.


Области применения мощных генераторов сигналов

Генераторы сигналов с высокой выходной мощностью находят применение в различных областях науки и техники:

  • Тестирование и отладка ВЧ-усилителей
  • Генерация мощных ультразвуковых импульсов
  • Имитация сильных помех для проверки помехоустойчивости аппаратуры
  • Возбуждение антенных систем
  • Калибровка измерительного оборудования

Возможность получения высокой выходной мощности в широкой полосе частот делает такие приборы универсальным инструментом для разработки и тестирования радиоэлектронной аппаратуры.

Перспективы развития генераторов сигналов

Основные тенденции в развитии современных генераторов сигналов:

  • Повышение верхней границы рабочих частот
  • Увеличение выходной мощности
  • Расширение функциональных возможностей
  • Улучшение спектральных характеристик сигналов
  • Миниатюризация приборов
  • Снижение энергопотребления

Применение новых схемотехнических решений и современной элементной базы позволяет создавать все более совершенные приборы для генерации тестовых и калибровочных сигналов.



Схема функционального генератора » Вот схема!

Категория: Генераторы

Функциональный генератор построен на основе мультивибратора на микросхеме КМОП К561ЛА7, его диапазон частот 1 Гц-100кГц разбит на пять поддиапазонов, в каждом из которых есть плавная регулировка частоты. Генератор вырабатывает сигналы трех форм: прямоугольной, треугольной и синусоидальной. Максимальный размах сигнала прямоугольной формы 10В (для КМОП-логики, для логики ТТЛ — 4В), треугольной формы 6,3 В, синусоидальной формы 3,3 В.

Кроме того возможна плавная регулировка выходного уровня. Коэффициент гармонических искажений синусоидального сигнала не более 0,7%. Питается генератор постоянным напряжением 25В от лабораторного источника.

Задающий мультивибратор построен на элементах D1.1-D1.3 микросхемы D1 (один из четырех элементов этой микросхемы не используется, его входы — выводы 12 и 13 при монтаже необходимо соединить с 14-м или 7-м выводами микросхемы). Частота генератора определяется параметрами RC-цепи, состоящей из одного из конденсаторов С1-С5 и резисторов R4-R3.

Емкость конденсатора RC-цепи изменяется ступенчато при помощи переключателя S1, при помощи которого таким образом переключаются поддиапазоны, а составляющая R этой RC-цепи изменяется плавно при помощи переменного резистора R3 включенного реостатом. Таким образом при помощи R3 выполняется плавная настройка в пределах диапазона.

На выходе интегратора, выполненного на элементе D1.1 имеются треугольные импульсы, которые используются как самостоятельная функция и как источник для получения синусоидальных импульсов. Конденсатор С6 включенный в этой цепи устраняет высокочастотные помехи, которые могут иметь место в процессе работы интегратора. Прямоугольные импульсы получаются на выходе компаратора на элементах D1.2 и D1.3.

Из-за разброса параметров микросхем К561 треугольное напряжение на выходе элемента D1.1 может иметь не совсем симметричную форму, что приводит к получению синусоидального напряжения имеющего большой коэффициент нелинейных искажений. Эту асимметрию устраняют подачей некоторого напряжения смещения с движка подстроечного резистора R7.

Преобразователь функции треугольного напряжения в синусоидальное выполнен на диодах VD1-VD6 и резисторах R10-R12. Он работает на принципе кусочно-квадратичной аппроксимации синусоидального сигнала.

Фактически преобразователь представляет собой нелинейный шунт, характеристика падения на нем треугольного напряжения предельно близка к синусоидальной. Крутизну участков аппроксимации при поступлении положительной полуволны задают диоды VD1-VD3, а при поступлении отрицательной — VD4-VD6. Длина участков пропорциональна сопротивлениям резисторов R10-R12, которые выбраны исходя из соотношения R10/R11=R11/R12=2.

Без подбора диодов по вольт амперной характеристике коэффициент нелинейных искажения синусоидального сигнала получается около 1 %. После подбора по ВАХ, так чтобы диоды имели предельно близкие характеристики КНИ удается получить 0,3-0,5% Если установить резисторы R10-R12 с сопротивлением в два-три раза большим чем на схеме, а затем подобрать их сопротивления добиваясь минимума КНИ, и поместить преобразователь в термостат, можно получить КНИ менее 0,1%.

Конденсатор С7 должен иметь ток утечки не более 1 мкА. Чтобы уменьшить влияние температуры на работу преобразователя его необходимо поместить в термоизолятор — картонный кубик со стороной 10-15 мм, который, после установки в него деталей преобразователя нужно залить парафином.

Из-за малого количества участков аппроксимации на квазисинусоиде заметны верхушки треугольных импульсов, которые увеличивают КНИ синусоидального сигнала. Для того чтобы понизить их влияние верхушки треугольного сигнала перед подачей на преобразователь ограничиваются цепями VD7, R15, С8 и VD8, R16, С9.

Нужно отметить что данный ограничитель входит в режим только спустя несколько секунд, по мере установки некоторого баланса между зарядкой конденсаторов С8 и С9 и их разрядкой вершинами треугольных импульсов.

Подстроечным резистором R7 добиваются симметрии треугольного напряжения. Установив частоту генерации 5000 Гц приступают к настройке преобразователя треугольного напряжения в синусоидальное. Используя метод последовательного приближения поочередно поворачивая движки подстроечных резисторов R7 и R9 добиваются такого их положения, при котором любое небольшое изменение положения движков R7 и R9 приводит только к увеличению искажений.

Затем более тщательным подбором резистора R4 и конденсаторов С1-С5 устанавливают границы поддиапазонов.




Поделитесь с друзьями ссылкой на схему:

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР

В данной статье представлена разработка простого функционального генератора сигналов на основе специализированной микросхемы  icl8038. Необходимо было построить такой генератор, который уже можно было назвать полноценным прибором для использования в радиолюбительской практики, но без применения громоздких и сложных в настройке схем. 

Основные параметры генератора

    Рабочий диапазон частот перекрывается 6 поддиапазонами:

  •     0,1…1 Гц
  •     1…10 Гц
  •     10…100 Гц
  •     100…1000 Гц
  •     1…10 кГц
  •     10…100 кГц

Максимальное выходное напряжение перекрывается четырьмя поддиапазонами:

  •     0…10 В
  •     0…1 В
  •     0…0,1 В
  •     0…0,01 В

Форма сигналов может быть трех видов:

  •     синус
  •     треугольный 
  •     прямоугольный

Регулировка коэффициента заполнения сигнала не мене +-30%.  Искажения формы синусоидального сигнала не более 1%. Наличие выхода синхронизации амплитудой 5 В и скоростью нарастания фронтов не хуже 20  нс.

Принципиальная схема генератора

Принципиальная схема прибора состоит из четырех функциональных узлов: генератор, формирователь меандра и синхросигнала, схемы смещения уровней и выходного усилителя. Рассмотрим каждый узел по отдельности.

На схеме выше представлен узел генератора. Он включает в себя непосредственно саму микросхему генератора, ее обвязку и пару локальных стабилизаторов напряжения. Здесь выбор конденсатора С2…С6 осуществляет переключение поддиапазона, резистором R3 производится плавная перестройка частоты в пределах поддиапазона. Подстроечными резисторами R1 и R2 обеспечивается регулировка верхнего и нижнего предела регулировки частот.

Резистор R4 позволяет в некоторых пределах регулировать скважность выходного сигнала, причем на больших частотах диапазон регулировки уменьшается. С регулировкой скважности связан еще один неприятный эффект, ее изменение приводит к уходу частоты генератора, который может составлять 15% в крайних положениях движка R4. Этот эффект удалось несколько снизить увеличением емкости частотозадающих конденсаторов С2…С6, изначально их номинал был кратен 1, в нынешней схеме он составляет 2,2. Еще большее увеличение этого номинала ограничено свойствами самой микросхемы – происходит срыв генерации при верхнем (по схеме) положении движка R3.

Резисторы R8 и R10 балансируют внутренний преобразователь треугольник-синус. Их подстройка позволяет получить минимальные гармонические искажения синусоидального сигнала. Применение отдельных микросхем стабилизаторов обусловлено невозможностью работы микросхемы при напряжении питания +-15 В, при котором происходил срыв генерации на максимальной частоте. Небольшой разбаланс напряжений в плечах питания никак не влияет на работоспособность генератора. С выхода микросхемы генератора прямоугольный сигнал подается на формирователь меандра и синхросигнала, а сигналы синуса и треугольника на схему смещения уровней.

Оба формирователя собраны на двух логических микросхемах 2И-НЕ. Применение не самых быстродействующих отечественных компонентов обусловлено разумной достаточностью и большими их залежей. Прямоугольный сигнал с генератора поступает на пару включенных последовательно инверторов DD1.1 и DD1.2, запитаных от двухполярного питания +-5 В. Тем самым на выходе получаем сигнал с крутыми фронтами амплитудой чуть менее 5 вольт симметричный относительно нуля. Для точной подстройки симметрии напряжение отрицательного плеча питания сделано регулируемым. На второй микросхеме DD2.1 и DD2.2 собран формирователь синхросигнала. Она преобразует двухполярный сигнал +-5 В в однополярный. Транзисторы Т1 и Т2 применяются для умощнения выхода, полученный сигнал через резистор согласования R4 поступает на разъем «синхронизация» расположенный на передней панели прибора. 

Схема смещения уровней предназначена для точной установки нуля и предварительного усиления сигналов треугольной и синусоидальной формы. Оба канала идентичны и построены на основе неинвертирующего усилителя, на который подается смещение через повторитель напряжения. Подобная схема включения пусть и не является самой оптимальной, однако позволяет получить требуемую полосу при сохранении высокого входного сопротивления при применении минимума деталей, и в данном применении вполне удачна. Так как амплитуда колебаний у треугольного сигнала выше, чем у синуса, усиление в этом канале ниже. Регулировка выходного смещения осуществляется подстроечными резисторами R3 и R4. После усиления и масштабирования все три сигнала синус треугольный и меандр поступают на коммутатор, роль которого выполняет галетный переключатель, после чего сигнал подается на выходной усилитель мощности.

Усилитель мощности представляет инвертирующий на ОУ с двухтактным истоковым повторителем на полевых транзисторах с ограничением выходного тока. Отечественный ОУ применен не из патриотичных соображений, а по причине простой коррекции. При использовании других типов ОУ необходима настройка переходной характеристики усилителя при требуемой ширине полосы. Рабочая полоса частот усилителя составляет более мегагерца. Это необходимо для корректной передачи формы прямоугольного сигнала. Коррекция усилителя осуществляется подбором конденсаторов С2 и С3. Стабилитроны VD1 и VD2 задают ток покоя выходных транзисторов.

Транзисторы Т2 и Т3 образуют защиту выходного каскада по току, благодаря которому усилитель может работать на любую нагрузку, в том числе при коротком замыкании выхода. Питающие напряжения +-15 В получают с помощью соответствующих стабилизаторов напряжения. Выходной каскад усилителя питается нестабилизированным напряжением от выпрямителя, для обеспечения полного размаха выходного напряжения. С выхода усилителя усиленный сигнал подается на лестничный аттенюатор, с которого поступает непосредственно на выходной разъем расположенный на передней панели прибора. Сетевой трансформатор и диодный мост на схеме не показаны. 

На рисунках ниже представлены осциллограммы работы генератора при различных режимах работы.

Сигнал прямоугольной формы амплитуды 10 В и частотой 100 кГц.

Работа генератора в режиме ограничения выходного тока.

Фронт синхросигнала на согласованной нагрузке составляет порядка 20 нс.

АЧХ масштабирующего усилителя на NE5532. Подъем вероятно обусловлен работой на емкость кабеля. Метка соответствует частоте 1 МГц, размах по вертикале 1 дБ/клетка.

АЧХ выходного усилителя. Метки соответствует частотам 1 и 2 МГц, размах по вертикале 1 дБ/клетка.

Генератор собран на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, верхний слой которого используется в качестве общего провода. Проводящий слой под сетевым трансформатором удален.

Контактные точки отмеченные красным припаиваются к верхнему земляному слою. Проводники отмеченные красным выпилены перемычками из изолированного провода.

Настройка генератора

Перед первым включением не устанавливается операционный усилитель в выходном усилителе, его выводы 3 и 6 на плате замыкаются перемычкой, стабилитроны VD1 и VD2 временно заменяются на переменные резисторы сопротивлением порядка килоома, которые устанавливаются в минимальное положение. Все движки подстроечных элементов устанавливают в среднее положение.

После включения выставляется примерно -5 В в плече питания  формирователя меандра. Регулировкой переменных резисторов которые установлены на месте стабилитронов VD1 и VD2 производится установка тока покоя выходного каскада и нулевого напряжения на выходе усилителя. Ток покоя контролируется на резисторах R8 R9. После чего полученные напряжения на резисторах измеряются вольтметром и на их место устанавливают стабилитроны с близкими рабочими напряжениями. Перемычка установленная на место ОУ удаляется и сам операционный усилитель устанавливается на место.

При минимальном положении регулятора громкости на выходе генератора должно быть напряжение близкое к нулю. Затем к выходу синхронизация подключается частотомер и производится укладка диапазонов подбором частотозадающих конденсаторов С2…С6 и подстройкой резисторов  R1 и R2. Генератор переводится в режим генерации прямоугольного сигнала с частотой в пределах звукового диапазона, на выход подключается осциллограф, и производится регулировка напряжения отрицательного плеча формирователя резистором R3 до получения строго симметричных положительных и отрицательных полупериодов.

Далее выбрав синусоидальную форму сигнала, на выход подключается измеритель коэффициента нелинейных искажений и путем регулирования резисторов R8 и R10 производится подстройка формы синуса до получения минимальных возможных искажений. При отсутствии измерителя КНИ настройка возможна путем визуального наблюдения сигнала на экране осциллографа.

После чего следует подстройка амплитуды выходных сигналов. На генераторе выставляется сигнал прямоугольной формы и максимальной выходной амплитуды и контролируя размах выходного сигнала по осциллографу производят подбор резистора R2 в выходном усилителе так, что бы амплитуда на выходе составляла 10 В. Затем форма сигнала переключается на следующую и производится подстройка выходной амплитуды по средствам подбора резисторов R7 и R8 в узле регулировки смещения. При каждом изменении этих резисторов необходимо подстраивать ноль на выходе резисторами R3 и R4. На этом настройку генератора можно считать законченной. Материал предоставил SecreTUseR.

   Форум

Как использовать генератор функций — специалисты по схемам

Как использовать генератор функций — специалисты по схемам перейти к содержанию Делиться:

3 апреля 2013 г.

Вот как можно использовать генератор функций для проверки поведения схемы:

  1. Включите генератор и выберите желаемый выходной сигнал: прямоугольная волна, синусоида или треугольная волна.
  2. Подключите выходные провода к осциллографу, чтобы визуализировать выходной сигнал и установить его параметры с помощью регуляторов амплитуды и частоты.
  3. Подсоедините выходные провода функционального генератора ко входу схемы, которую вы хотите протестировать.
  4. Подключите выход вашей схемы к измерителю или осциллографу, чтобы визуализировать результирующее изменение сигнала.

Функциональный генератор, который используется для проверки реакции схем на обычные входные сигналы, создает различные схемы напряжения на разных частотах и ​​амплитудах. Вы подключаете электрические провода функционального генератора к земле, а клеммы входных сигналов к тестируемому устройству (ИУ). Большинство генераторов функций позволяют выбрать форму выходного сигнала из нескольких вариантов, включая прямоугольную волну, в которой сигнал сразу переходит от высокого к низкому напряжению; синусоидальная волна, в которой сигнал изгибается от высокого напряжения к низкому, как синусоида; и треугольная волна, в которой сигнал переходит от высокого напряжения к низкому с фиксированной скоростью. Генераторы расширенных функций, известные как генераторы сигналов произвольной формы, используют методы прямого цифрового синтеза для генерации сигнала любой формы, который может быть описан таблицей амплитуд. Некоторые генераторы сигналов произвольной формы также могут работать как генераторы обычных функций и часто включают такие формы сигналов, как прямоугольные, синусоидальные, пилообразные, треугольные, шумовые и импульсные, а также такие формы сигналов, как экспоненциальное время нарастания и спада, sinx/x и сердечный. Регулятор амплитуды функционального генератора изменяет разницу напряжений между высоким и низким напряжением выходного сигнала. Регулятор смещения постоянного тока (DC) изменяет среднее напряжение сигнала относительно земли. Рабочий цикл функционального генератора представляет собой его отношение времени высокого напряжения к времени низкого напряжения, поскольку речь идет о прямоугольных сигналах. Регулятор частоты функционального генератора используется для управления частотой колебаний выходного сигнала. На некоторых функциональных генераторах управление частотой сочетает в себе несколько различных элементов управления: один набор элементов управления устанавливает частотный диапазон или порядок величины, а другой выбирает точную частоту. Это позволяет генератору функций справляться со значительными изменениями частотной шкалы, необходимой для сигналов. Вы используете генератор функций, включив его и настроив выходной сигнал на желаемую форму. Это влечет за собой подключение заземления и сигнальных проводов к вашему осциллографу для проверки элементов управления. Затем вы настраиваете генератор функций, пока не получите соответствующий сигнал, и подключаете заземление генератора функций и сигнальные провода к входу тестируемого устройства и клеммам заземления. Хотя заземления обычно достаточно, в некоторых ситуациях вам может понадобиться подключить отрицательный вывод функционального генератора к отрицательному входу устройства.

Делиться: Предыдущая статья Проект «Умный дом» — часть 4

Выберите первый элемент для сравнения

Выберите второй элемент для сравнения

Выберите третий элемент для сравнения

Сравнивать

Проект выходного каскада мощного генератора сигналов

к Томас Бранд