Усилитель для генератора сигналов схема. Усилитель для генератора сигналов: схема и особенности конструкции

Эта схема наглядно показывает основные функциональные блоки усилителя и их ключевые характеристики.

Рекомендации по проектированию усилителя для генератора сигналов

При разработке усилителя для генератора сигналов рекомендуется придерживаться следующих принципов:

1. Использовать современные интегральные микросхемы вместо дискретных компонентов
2. Обеспечить широкий диапазон плавной регулировки выходной мощности
3. Минимизировать количество коммутируемых элементов в схеме
4. Обеспечить высокую линейность во всем диапазоне выходных мощностей
5. Оптимизировать тепловой режим выходного каскада

Следование этим рекомендациям позволит создать эффективный и надежный усилитель для генератора сигналов с хорошими характеристиками.

Заключение

Современная элементная база позволяет значительно упростить схемотехнику усилителей для генераторов сигналов, улучшить их характеристики и снизить стоимость. Ключевыми компонентами таких усилителей являются:

• Входной VGA с широким диапазоном регулировки
• Промежуточный преобразователь сигналов
• Мощный выходной каскад на CFA

Правильный выбор этих компонентов и оптимизация схемы позволяют создать компактный и эффективный усилитель, превосходящий по характеристикам классические решения на дискретных элементах.

Принципиальная схема

Генератор состоит из собственно генератора РЧ (транзистор V3), эмиттерного ловторителя (транзистор V4), выходного усилителя (транзистор V6) и амплитудного модулятора (транзистор V5).

Требуемый поддиапазон генерируемых частот выбирают переключателем S1, перестраивают генератор сдвоенным блоком конденсаторов переменной емкости С6 (обе секции включены параллельно).

Диод V1 в цепи затвора транзистора V3 выполняет функции ограничителя, повышающего стабильность амплитуды выходного сигнала при перестройке генератора (в пределах поддиапазона). Резисторы R1*—R4* ослабляют положительную обратную связь, улучшая форму колебаний. Напряжение питания этого каскада стабилизировано стабилитроном V2.

С истока транзистора V3 напряжение высокочастотных колебаний поступает на эмиттерный повторитель, обеспечивающий развязку между генератором и нагрузкой.

Напряжение, развиваемое генератором (транзистор V3), существенно больше требуемого для нормальной работы последующих каскадов. Поэтому на выходной усилитель сигнал подается с делителя, образованного резисторами R9 и R10 в эмиттерной цепи транзистора V4.

Выходной’ широкополосный усилитель (транзистор V6) выполнен на схеме с общим эмиттером. Его нагрузкой служит переменный резистор R15, с движка которого сигнал поступает на выходной коаксиальный разъем Х2.

Рис. 1. Принципиальная схема транзисторного генератора прямоугольных импульсов с перестройкой.

Для того чтобы обеспечить достаточно широкую полосу выходного усилителя, сопротивление этого резистора должно быть не более 150 Ом. Тогда при емкостной нагрузке около 50 ПФ (емкость коаксиального кабеля длиной около 0,7 м) полоса пропускания усилителя 20…30 МГц.

При этом через транзисторы необходимо пропустить относительно большой ток (около 10 мА): падение напряжения на резисторе R15 должно быть примерно в 2 раза больше амплитуды выходного сигнала.    

Амплитудная модуляция осуществляется в выходном каскаде. Транзистор V5 модулятора включен по постоянному току последовательно с транзистором V6, а модулирующее напряжение с разъема XI поступает одновременно на базы обоих транзисторов (на V6 — через резистор R13*). В результате получается смешанная (коллекторно-базовая) модуляция выходного сигнала.

Используя такую модуляцию, простым увеличением напряжения ЗЧ можно получить почти 100 %-ную модуляцию высокочастотного сигнала при малых нелинейных искажениях. Включают модуляцию выключателем S2.

Детали и конструкция

В генераторе использован малогабаритный сдвоенный блок (его секции при монтаже соединяют параллельно) конденсаторов переменной емкости с твердым диэлектриком КПТМ-4 (от транзисторных радиоприемников «Нейва», «Этюд», «Сигнал», «Орбита»). Ось блока удлинена отрезком латунного прутка диаметром 4 и длиной 18 мм.

С одного конца в нем просверлено осевое отверстие глубиной 8 мм, в котором затем нарезана резьба М2. Для соединения использована стальная шпилька М2 X 8, которую ввинчивают на клее БФ-2 в резьбовое отверстие в оси блока КПЕ, а на выступающий конец на том же клее до отказа навинчивают пруток-удлинитель.

Для регулировки выходного напряжения применен переменный проволочный резистор Г1ПБ-1В, однако можно использовать и другой резистор, сопротивление которого не превышало бы 150 Ом.

В генераторе применены конденсаторы КТ-1a (С1—С4), К50-6 (С13), КМ (С15) и КЛС (остальные). Все постоянные резисторы, кроме R10— ВС-0,125, (МЛТ-0,125, МЛТ-0,25 и т. п.). Резистор R10 — МОН-0,5, при необходимости его можно изготовить самостоятельно, намотав, например, отрезок провода ПЭВ-2 диаметром 0,06 мм на корпус резистора МЛТ-0,5 сопротивлением не менее 100 Ом.

Отрезок провода длиной 790 мм складывают вдвое и закрепляют петлю на резисторе каплей расплавленной канифоли. После намотки концы припаивают к выводам резисторов.

В приборе можно использовать любой полевой транзистор серии КП303 и любые маломощные кремниевые высокочастотные транзисторы.

Статический коэффициент передачи тока транзисторов V4 и V6 должен быть не менее 60, транзистора V5 — не менее 30. Диод V1 — любой кремниевый высокочастотный.

Катушки генератора L1 и L2 намотаны на ферритовых кольцах М1000НМ-А-К10 X 6 X 4,5 (внешний диаметр 10, внутренний — 6, высота 4,5 мм, феррит марки 1000НМ). Первая из них содержит 25 + 50 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,15 мм, вторая — 7+14 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,41 мм.

Катушки L3 и L4 намотаны соответственно на ферритовых стержнях М600НН-2-СC3, 5 X 20 (диаметр 3,5, длина 20 мм) и М600НН-3-СС2,8 X 12 (диаметр 2,8, длина 12 мм). Катушка L8 состоит из 10+20 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм, L4 — 4 + 8 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм.

Фролов. В.

Источники:

1. Фролов. В. — Измерительный комплекс. Генератор сигналов высокой частоты. Радио-12-1977.
2. Борноволоков Э. П., Фролов В. В. — Радиолюбительские схемы.

Генератор сигналов специальной формы — Время электроники

PDF версия

17.08.201204.03.2020 Проектирование Статьи

Одним из направлений деятельности исследовательского центра «Современные электронные элементы и технологии» (СЭЭТ) Дагестанского государственного технического университета (ДГТУ) является разработка контрольно-измерительного и специализированного оборудования, используемого в учебном процессе и научных исследованиях. В статье рассказывается о новой разработке центра — генераторе сигналов специальной формы.

Среди измерительных приборов одной из наиболее представительных является группа разнообразных генераторов — устройств, предназначенных для вырабатывания испытательных электрических сигналов с различными амплитудными и временными параметрами. Наиболее универсальными приборами из этой группы представляются генераторы сигналов специальной формы.

В основу разработки генератора для применения его в реальных проектах, связанных в том числе с цифровой фильтрацией сигналов, были положены следующие требования:
– прибор должен генерировать электрические колебания синусоидальной, прямоугольной со скважностью равной двум и треугольной форм в диапазоне частот 10 Гц…150 кГц и амплитудой выходных сигналов не менее 1 В;
– необходимо предусмотреть плавную регулировку частоты следования и амплитуды сигналов на выходе в пределах каждого из поддиапазонов;
– необходимо обеспечить высокую стабильность параметров выходных сигналов в установившемся режиме функционирования;
– ввести в состав прибора генератор шумовых сигналов случайной последовательности в диапазоне 20 Гц…15 МГц и с размахом выходного напряжения (от пика до пика) до 1 В;
– редусмотреть возможность смешивания шумового сигнала с каждым из основных электрических колебаний.
Генерацию сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной форм можно осуществить различными способами. Один из них предполагает формирование прямоугольного колебания с требуемыми параметрами и последующим преобразованием его в треугольное, из которого в дальнейшем получают и синусоидальные колебания. Возможен и другой, более простой по реализации, вариант преобразований, подразумевающий генерацию в качестве исходного сигнала синусоидального колебания, из которого последовательно можно получить прямоугольное и далее треугольное колебание. Этот вариант и применяется в предлагаемом генераторе.
В общем случае под шумовым сигналом понимается переменное напряжение или мощность, частотные и амплитудные параметры которых носят случайный характер. Первичными источниками шума (задающими генераторами) могут служить вакуумные и полупроводниковые шумовые диоды, фотоэлектронные умножители, газоразрядные приборы, а также лавинно-пролетные диоды, стабилитроны, туннельные диоды и ряд других.
Выбор полупроводниковых стабилитронов для применения в разработке в качестве задающего генератора неслучаен. Исследовались шумовые характеристики различных источников, в том числе и стабилитронов. В последнем случае для экспериментов отбирались многочисленные типы элементов с различными механизмами электрического пробоя. Эксперименты показали целесообразность использования стабилитронов с лавинным характером пробоя типа 2С210Ж, способных генерировать шумовые сигналы в диапазоне частот 10 Гц…18 МГц со средним размахом выходного напряжения порядка 20 мВ при величинах обратных токов 120…140 мкА. К тому же, применение стабилитрона в качестве источника шума позволяет минимизировать аппаратные и энергетические затраты при реализации генератора шума.
Обобщенная структурная схема генератора сигналов специальной формы и генератора шумовых сигналов приведена на рисунке 2. Как следует из схемы, прибор состоит из последовательно включенных генераторов синусоидальных, прямоугольных и треугольных колебаний, коммутатора этих сигналов, блоков выбора поддиапазонов и сигнала, частотомера и блока индикации.

В свою очередь генератор шумовых сигналов содержит источник шума, выход которого подключен к входу управляемого усилителя, предназначенного для обеспечения требуемого размаха напряжения на выходе устройства. Для удобства использования генератора при проведении экспериментальных работ и исследований весь диапазон генерируемых шумовых сигналов был разнесен на пять поддиапазонов, выделение которых производилось блоком фильтров. Сигналы требуемого диапазона через управляемый коммутатор подавались на вход буферного усилителя и далее, при необходимости, на второй вход смесителя, в то время как на его первый вход было подано одно из основных колебаний от соответствующего узла генератора сигналов специальной формы.
Электрическая схема генераторов синусоидальных, прямоугольных колебаний и блока выбора поддиапазона приведена на рисунке 3. Генератор синусоидальных колебаний выполнен на основе операционного усилителя DA4 типа AD8031, в цепи положительной обратной связи которого включен мост Вина-Робинсона [1]. Весь диапазон генерируемых колебаний разнесен на четыре поддиапазона, а плавная регулировка частоты производится сдвоенным потенциометром (в схеме обозначен через R15.1 и R15.2). Границы каждого диапазона определяются конденсаторами С2…С5 и С7…С10, подключаемыми к соответствующим цепям моста посредством электронного коммутатора на элементах DA1 и DA2 типа ADG513. Работой коммутатора управляет блок выбора поддиапазона, реализованный на элементах DD1 и DD2 типа CD4013.

Стабилизация амплитуды колебаний на выходе генератора обеспечивается элементами автоматической регулировки усиления в цепи обратной связи операционного усилителя. Ввиду отличия параметров цепи автоматической регулировки усиления на верхних частотах в схеме дополнительно используется регулировочный элемент R22, который на диапазоне 150 кГц подключается коммутатором DA3.
Буферизацию выхода генератора синусоидальных колебаний и перенос этих сигналов в область положительной полярности напряжения выполняет операционный усилитель DA5.1 типа AD8032. С выхода буферного усилителя синусоидальные колебания поступают на вход формирователя прямоугольных сигналов, выполненного по типовой схеме триггера Шмидта на операционном усилителе DA5.2 типа AD8032.
Электрическая схема генератора треугольных колебаний (интегратора) приведена на рисунке 4. Интегратор непосредственно реализован на операционном усилителе DA3.1 типа AD8066, резисторе R13 и конденсаторах С11…С14. Каждый конденсатор соответствует одному из четырех поддиапазонов и включается в цепь обратной связи усилителя посредством коммутатора DA4 (ADG513), управляемого блоком выбора поддиапазонов. Поскольку постоянная времени интегрирования нормализована для нижней частоты каждого из поддиапазонов, с увеличением частоты следования сигналов прямоугольной формы, поступающих на вход интегратора, амплитуда сформированного треугольного колебания на его выходе будет уменьшаться. Нейтрализация этого эффекта производится путем введения в схему системы автоматического регулирования амплитуды выходных колебаний интегратора, выполненной на элементах DA3.2, DA5, DA6, DA8 и DA9.

Основой этой части схемы является элемент DA8, представляющий собой усилитель с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления типа AD605, на вход которого через буферный усилитель DA3.2 подается треугольное колебание с интегратора. Сигнал с выхода усилителя поступает на вход двухполупериодного выпрямителя на элементах DA6.1 и DA6.2, и после выпрямления и последующего инвертирования на элементе DA9(AD8065) напряжение, величина которого определяет коэффициент усиления усилителя DA8, подается на его входы управления. В результате уменьшение амплитуды сигнала на выходе интегратора компенсируется увеличением коэффициента усиления и наоборот.
Устранение дрейфа выходного напряжения в интеграторе производится путем подбора входного напряжения сдвига операционного усилителя DA3.1 на каждом из поддиапазонов с помощью соответствующих делителей напряжения R1…R12 и коммутатора DA1. Наряду с этим производится обнуление интегратора по завершении каждого цикла интегрирования через канал коммутатора DA7 типа ADG802. Процессом коммутации канала управляет одновибратор DD1 типа 74ALS121, вырабатывающий на каждом из поддиапазонов сигналы разных длительностей. Длительности этих сигналов обусловлены параметрами времязадающей цепи, состоящей из внутреннего резистора и одного из конденсаторов С7…С10, подключаемого к одновибратору коммутатором DA2.
Электрическая схема блока выбора сигнала и смесителя показана на рисунке 5. Смеситель колебаний реализован на операционном усилителе DA4.1 типа AD8032, на инвертирующий вход которого подается один из сигналов синусоидальной, прямоугольной или треугольной форм. Вид подаваемого сигнала зависит от состояния управляющих сигналов, поступающих на коммутатор DA1 от блока выбора сигнала, выполненного на элементах DD1 типа 74ALS00 и DD2, DD3 типа CD4013. При необходимости на второй неинвертирующий вход смесителя через коммутатор DA2 подается сигнал с выхода генератора шума. Элементы DA3 (AD8029) и DA4.2 (AD8032) выполняют функцию буферных усилителей. Потенциометры R21 и R26 позволяют регулировать амплитуду сигналов на соответствующих выходах.
Электрическая схема блока фильтров, коммутатора и буферного усилителя представлена на рисунке 6. Выделение требуемого частотного поддиапазона шумового сигнала обеспечивают активные фильтры низких частот, зарекомендовавшие себя в предыдущих проектах [2]. За основу выбраны фильтры Баттерворта пятого порядка, отличающиеся плоской характеристикой в пределах полосы пропускания, а порядок, определяющий крутизну среза фильтра, достаточен для данного применения.

Весь частотный диапазон шумового сигнала разделен на пять поддиапазонов (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц, 8 МГц и 16 МГц). И если последний поддиапазон 16 МГц включает полный спектр колебаний, генерируемых источником шума, то полоса остальных определяется фильтрами на операционных усилителях DA4 — DA7 типа AD8066. Выходные сигналы с каждого фильтра подаются на входы буферных усилителей DA9—DA12, одновременно осуществляющих перенос сигналов в область положительной полярности напряжений. В свою очередь выходы буферных усилителей подключаются к аналоговым коммутаторам
DA13…DA17 типа ADG719, каждый из которых может быть переведен в активное (замкнутое) состояние высоким уровнем напряжения, вырабатываемого блоком управления, и подводимым на управляющие входы коммутаторов. С объединенных выходов коммутаторов шумовые сигналы выбранного диапазона поступают на вход оконечного усилителя и далее подаются на смеситель.
На рисунке 7 приведена электрическая схема генератора шума. Источником шума является стабилитрон VD1 типа 2С210Ж с номинальным напряжением стабилизации 10 В. Поскольку режим генерации шумов стабилитроном наступает при обратном напряжении смещения порядка 9 В, потребовалось ввести в схему дополнительный источник стабильного напряжения, представленного элементом DA1 типа 78L12, а с помощью резистора R1 и потенциометра R2 можно устанавливать требуемую величину обратного тока. Шумовые сигналы с выхода источника поступают на вход операционного усилителя DA4 типа AD4851, включенного по неинвертирующий схеме. Выполняя функции предварительного усилителя с коэффициентом усиления, равным 2, DA4 одновременно обеспечивает и согласование источника с низкоомным входным сопротивлением усилителя с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления DA6 типа AD603. Изменение коэффициента усиления этого усилителя, а следовательно, и размаха шумовой составляющей его выходного напряжения, обеспечивается цифровым потенциометром DA7 типа AD5228-10, ко входу которого подведено напряжение 2,5 В от прецизионного источника опорного напряжения DA5 типа ADR420. Таким образом, замыкание контакта S1 влечет за собой уменьшение коэффициента усиления, а замыкание контакта S2 — его увеличение.

Частотомер реализован на основе микроконтроллера типа MCF51JM128, с типовой, не имеющей особенностей, схемой включения. Текущая информация о форме генерируемого сигнала, его частоте и выбранном диапазоне шумового сигнала, отображается на двухстрочном индикаторе типа FDCC1602E.
Генератор сигналов специальной формы представляет собой завершенное изделие размерами 290×200×90 (мм). Масса генератора не превышает 2,6 кг.
Авторы выражают глубокую признательность Марии Сапожниковой, менеджеру по работе с ключевыми заказчиками представительства Analog Devices Inc. в России, стоявшей у истоков создания исследовательского центра, за поставленные для проекта комплекты компонентов.

Литература

1.  Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
2. Губа А.В., Гасанов О. И., Кишов Р. М. Активные фильтры в приемных устройствах радиовещательного диапазона//Электронные компоненты, №10, 2010.

Проект выходного каскада мощного генератора сигналов

к Томас Бранд Скачать PDF

Генераторы сигналов производят определенные электрические сигналы с характерным изменением во времени. Если эти сигналы имеют простую периодическую форму, например синусоидальную, прямоугольную или треугольную, генераторы называются функциональными генераторами. Они часто используются для проверки функционирования электрических цепей или узлов. На вход подается определенный сигнал, а на выходе подключается соответствующий измерительный прибор (например, осциллограф). Затем он может быть оценен пользователем. В прошлом задача обычно заключалась в разработке выходного каскада. В этой статье описано, как спроектировать небольшой и недорогой выходной каскад с усилителем с усилением по напряжению (VGA) и усилителем с обратной связью по току (CFA).

Типичные генераторы сигналов обеспечивают выходное напряжение в диапазоне от 25 мВ до 5 В. Для управления нагрузками от 50 Ом и выше на выходе обычно используются мощные дискретные компоненты, несколько компонентов, включенных параллельно, или дорогие ASIC. Внутри часто есть реле, которые позволяют устройствам переключаться между различными уровнями усиления или ослабления и, таким образом, регулировать выходной уровень. Через необходимое переключение реле на различные коэффициенты усиления в определенной степени возникает прерывистая работа. Упрощенная блок-схема показана на рисунке 1.9.0006

Рис. 1. Упрощенная блок-схема выходного каскада классического генератора сигналов.

С более новыми ИС усилителя нагрузки также могут управляться напрямую без какого-либо внутреннего реле. Таким образом, конструкция выхода генератора упрощается, а сложность и стоимость снижаются. Двумя основными компонентами такого выхода являются создание мощного выходного каскада, который обеспечивает высокие скорости, высокое напряжение, большие токи и регулируемый усилитель с возможностью непрерывной линейной тонкой настройки.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема выходного каскада генератора сигналов с VGA.

Во-первых, исходный входной сигнал должен быть усилен или ослаблен с помощью VGA. Выходной сигнал VGA может быть настроен на желаемую амплитуду независимо от его входного сигнала. Например, для выходной амплитуды V _OUT 2 В при коэффициенте усиления 10 выходная амплитуда VGA должна быть отрегулирована до 0,2 В. К сожалению, многие VGA являются узким местом из-за их ограниченного диапазона усиления. Диапазоны усиления более 45 дБ встречаются довольно редко.

С маломощным VGA AD8338 Analog Devices обеспечивает программируемый диапазон усиления от 0 дБ до 80 дБ. Таким образом, в идеальных условиях выходная амплитуда от 0,5 мВ до 5 В может быть запрограммирована непрерывно для генераторов сигналов без необходимости использования дополнительных реле или коммутируемых сетей. Благодаря исключению этих механических компонентов можно избежать разрывов. Поскольку цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и компоненты прямого цифрового синтеза (DDS) часто имеют дифференциальные выходы, AD8338 предлагает полностью дифференциальный интерфейс. Кроме того, с помощью гибкого входного каскада любая асимметрия входных токов может быть компенсирована с помощью внутреннего контура обратной связи. При этом внутренние узлы поддерживаются на уровне 1,5 В. В нормальных условиях максимальный входной сигнал 1,5 В генерирует ток 3 мА при входных сопротивлениях 500 Ом. При более высоких входных амплитудах, например 15 В, потребуется более высокое сопротивление непосредственно на входных контактах. Это сопротивление рассчитано таким образом, что получается тот же самый ток 3 мА.

Многие коммерческие генераторы сигналов обеспечивают максимальную эффективную выходную мощность 250 мВт (24 дБм) при нагрузке 50 Ом (синусоидальная волна). Однако этого часто недостаточно для приложений с более высокой выходной мощностью, которые требуются, например, для тестирования ВЧ-усилителей или генерации ультразвуковых импульсов. По этой причине также используются усилители с токовой обратной связью. ADA4870 обеспечивает ток возбуждения 1 А при амплитуде 17 В на выходе при напряжении питания ±20 В. Синусоидальные волны могут генерироваться при полной нагрузке до 23 МГц, что делает их идеальными входными драйверами для универсальные генераторы сигналов произвольной формы. Для оптимизации размаха выходного сигнала ADA4870 сконфигурирован с коэффициентом усиления 10, поэтому требуемая амплитуда на входе составляет 1,6 В. выход, дифференциальный усилитель приемника для преобразования дифференциальной связи в опорную землю должен быть подключен между обеими частями. AD8130 предлагает произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBWP) 270 МГц и скорость нарастания 1090 В/мкс, что очень хорошо подходит для этого приложения. Выход AD8338 ограничен ±1 В, поэтому промежуточное усиление AD8130 должно быть рассчитано на 1,6 В/В. Общая конфигурация схемы показана на рис. 3. Она обеспечивает полосу пропускания 20 МГц при амплитуде 22,4 В (39 дБм) и нагрузке 50 Ом.

Рис. 3. Упрощенная схема выходного каскада дискретного генератора сигналов.

Благодаря сочетанию мощного VGA (AD8338), мощного CFA (ADA4870) и дифференциального усилителя приемника (AD8130) можно относительно легко построить выходной каскад компактного мощного генератора сигналов. Он превосходит традиционные выходные каскады благодаря более высокой надежности системы, более длительному сроку службы и меньшим затратам.

Рекомендации