Функциональные генераторы

К функциональным генераторам относят формирователи произвольных функций времени. Чаще всего на практике применяются генераторы пилообразного и треугольного напряжений.

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) формируют напряжение, которое изменяется практически по линейному закону (прямой ход), а затем скачком возвращается к первоначальному уровню (обратный ход). ГПН используются для создания развертки электронного луча на экране электронно-лучевых трубок, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности. В литературе их часто называют также генераторами линейно изменяющегося напряжения. Для получения пилообразного напряжения обычно используется заряд конденсатора постоянным током во время прямого хода с последующим его быстрым разрядом во время обратного хода.

Основными параметрами ГПНявляются:

─ длительность прямого (рабочего) хода t _пр;

─ длительность обратного хода t _обр;

─ амплитуда U _m;

─ период повторения Т;

─ начальный уровень U ₀;

─ коэффициент нелинейности ε, характеризующий степень отклонения закона изменения реального пилообразного напряжения от линейного: ε = (v _max – v _min)/ v _max,

где v _max и v _min – соответственно максимальная и минимальная скорости изменения напряжения в течение прямого хода;

─ коэффициент использования напряжения источника питания ξ= U _m/ U _п.

Существуют две разновидности ГПН:

─ с внешней синхронизацией (формирование обратного хода происходит при подаче короткого разрядного импульса от внешнего источника);

─ автогенераторные (процесс обратного хода наступает вследствие того, что пилообразное напряжение прямого хода достигает определенного уровня).

На рис. 5.24, а показан общий принцип устройства ГПН с внешней синхронизацией. На интервале рабочего хода конденсатор С заряжается постоянным током I, при этом напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

Линейность генератора определяется стабильностью источника тока I. Стабилизатор тока может быть выполнен по схеме генератора тока (см. п. 1.1) или по схеме преобразователя напряжения в ток (см. п. 1.3). При невысоких требованиях к линейности источник тока может быть заменен резистором R, тогда заряд конденсатора происходит по экспоненциальному закону:

(5.12)

В этом случае скорость нарастания напряжения dU_C (t)/ dt максимальна в начале заряда (t = 0) и минимальна в конце прямого хода (t = t _пр). Из (5.12) легко получить основные характеристики процесса:

Отсюда видно, что приемлемая линейность обеспечивается, только если ограничиться начальным участком экспоненты, что приводит к сильному недоиспользованию напряжения источника питания.

Линейность генератора дополнительно ухудшается, если нагрузка генератора потребляет ток, сравнимый с I; в этом случае необходимо подключать нагрузку через буферный повторитель с большим входным сопротивлением.

Удобно строить ГПН на базе интегратора (рис. 5.24, б). Так как входное напряжение интегратора постоянно и равно – U _п, то через конденсатор протекает постоянный ток I = U _п/ R. Использование ОУ обеспечивает хорошую линейность в широком диапазоне амплитуд и низкое выходное сопротивление генератора.

На рис. 5.25 показаны ГПН автогенераторного типа.

В схеме рис. 5.25, а во время прямого хода конденсатор перезаряжается постоянным током I источника, выполненного на транзисторе VT1, при этом выходное напряжение линейно уменьшается. Величина тока перезаряда может быть при условии пренебрежения падением напряжения на базо-эмиттерном переходе транзистора VT1 определена из выражения I ≈ U _п R ₄/(R ₃ R ₆). Начальное и конечное значения напряжения конденсатора определяются порогом срабатывания U _пор компаратора на ОУ:

где U _нас – напряжение насыщения ОУ. Напряжение на конденсаторе изменяется от U _пор до – U _пор. Длительность прямого хода t _пр = 2 СU _пор/ I. Когда напряжение на конденсаторе достигает уровня – U _пор, компаратор переключается, и конденсатор быстро заряжается через эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 до уровня U _пор, после чего снова начинается прямой ход. Для того чтобы не нарушался линейный режим работы транзистора VT1, должно соблюдаться условие R ₂/ R ₁ > R ₃/ R ₄. При необходимости согласования с низкоомной нагрузкой следует включить на выходе дополнительный повторитель на ОУ.

В схеме генератора на рис. 5.25, б для формирования линейно изменяющегося напряжения используется интегратор на ОУ DА2, благодаря чему генератор имеет низкое выходное сопротивление. Ток заряда конденсатора I = U _нас/ R ₃. Компаратор выполнен на ОУ DA1, его пороговое напряжение U _пор = U _нас R ₁/ R ₂. Диод VD1, шунтирующий времязадающий резистор R3, обеспечивает малое время обратного хода. На выходе формируется линейно возрастающее напряжение; для получения линейно падающего напряжения необходимо изменить полярность включения диода. Частоту генерации легко определить исходя из длительности прямого хода t _пр:

В обеих схемах рис. 5.25 может быть использован дополнительно выход компаратора, на котором формируются прямоугольные импульсы с большой скважностью.

Генераторы напряжения треугольной формы отличаются от ГПН тем, что у них скорость изменения напряжения при прямом и обратном ходе одинакова. Такой генератор может быть получен, например, из схемы рис. 5.25, б, если удалить VD1.

Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, микросхема МАХ038 генерирует треугольные, прямоугольные и синусоидальные сигналы в области частот от 0,1 Гц до 20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75%.

Генераторы напряжения пилообразной и треугольной формы широко применяются для преобразования аналогового сигнала во временной интервал. Необходимость такого преобразования возникает, например, в широтно-импульсных модуляторах усилителей класса D (см. п. 1.5). Показанный на рис. 5.26 пример модулятора представляет собой несколько видоизмененную схему рис. 5.25, б. Выходное напряжение компаратора DA2 поступает далее на мощный ключевой каскад.

Рассмотрим интервал времени, на котором напряжение насыщения ОУ DA2 положительно: U _вых = U _нас. На этом интервале напряжение U _и на выходе интегратора изменяется от уровня + U _пор до уровня – U _пор по закону

причем U _пор = U _нас R ₂/ R ₃.

Интервал заканчивается в момент t ₁, когда напряжение U _и достигает порога – U _пор:

Отсюда

(5.13)

Аналогично длительность интервала, на котором напряжение U _и возрастает,

(5.14)

Среднее напряжение на выходе компаратора может быть найдено по выражению (1.30) путем замены U _п на U _нас и подстановки t ₁ и t ₂ из (5.13) и (5.14). Получаем:

Укажем еще два способа формирования сигналов произвольной формы:

1. Подача линейно изменяющегося сигнала на функциональный преобразователь, подобный рассмотренным в п. 2.7.

2. Цифровой синтез: двоичный счетчик формирует последовательность адресов, по которым из запоминающего устройства считываются цифровые коды требуемых значений сигнала. Полученная последовательность кодов преобразуется в непрерывный сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя.