Размещено на http://www.allbest.ru/

Генераторы сигналов на операционных усилителях

1. Общие понятия

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор каких-либо колебаний. Кроме генераторов испытательных сигналов, выполняемых в виде отдельных изделий, источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых измерительных приборах, осциллографах, радиоприемниках, телевизорах, часах, ЭВМ и множестве других устройств.

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов (например, синхросигналов в цифровой системе). От него может требоваться стабильность и точность (опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин радиоприемника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы.

Схемотехнически электронный генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью. В качестве усилителя могут быть использованы схемы на дискретных транзисторах, цифровые ИМС, интегральные таймеры, а также операционные усилители. Использование ОУ позволяет построить стабильные многофункциональные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала, минимальные по габаритам.

Решение данной задачи путём использования метода прямого цифрового синтеза (DDS) затруднительно вследствие необходимости применения в этом случае генератора тактовой частоты с высокими характеристиками.

2. Релаксационные генераторы

Релаксационными называют генераторы, у которых регулирующий (усилительный) элемент работает в переключательном (релейном) режиме. К ним относят автоколебательный и ждущий мультивибраторы, генераторы пилообразных и треугольных колебаний. Основой релаксационных генераторов на ОУ является обычно регенеративный компаратор, называемый также триггером Шмитта. Он представляет собой операционный усилитель с резистивной положительной обратной связью (рисунок 1).

Рисунок 1. - Триггер Шмитта не инвертирующий и инвертирующий:

Переходная характеристика компаратора имеет гистерезис, ширина которого равна удвоенному пороговому напряжению 2U_п, причем для схемы на рисунке 1 (А):

для схемы на рисунке 1 (б):

Где:

U_м - выходное напряжение насыщения усилителя.

3. Автоколебательный мультивибратор

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рисунке 2а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Рисунок 2. - Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его работы (б):

Когда напряжение u_c достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рисунок 2 б). Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение:

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта, будет достигнуто спустя время:

t₁ = RCln [1 + 2R₁/R₂]

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен:

T = 2t₁ = 2RCln [1 + 2R₁/R₂]

Как видно из последней формулы, период колебаний мультивибратора не зависит от напряжения U_м, которое, в свою очередь определяется напряжением питания U_пит. Поэтому частота колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающего напряжения.

4. Ждущий мультивибратор

Обычное назначение ждущего мультивибратора - получение одиночного импульса заданной длительности.

Отсчет длительности импульса начинается от фронта (или уровня) специального запускающего импульса.

Для того, чтобы перейти от схемы автоколебательного к схеме ждущего мультивибратора, необходимо ввести дополнительно цепь запуска и цепь “торможения”.

Схема одновибратора приведена на рисунке 3а.

Рисунок 3. - Схема одновибратора (а) и временная диаграмма его работы (б):

Если выходное напряжение ОУ отрицательное максимальное, то диод VD1 открыт, и напряжение на времязадающем конденсаторе u_c небольшое отрицательное, равное примерно 0,5 В. При правильном выборе параметров схемы напряжение на не инвертирующем входе ОУ:

Поэтому при отсутствии запускающего импульса U_зап схема находится в устойчивом состоянии. По приходе положительного запускающего импульса достаточной амплитуды операционный усилитель за счет положительной обратной связи переключается в такое состояние, при котором его выходное напряжение равно +U_м. Диод VD2 закрывается и на р-входе ОУ устанавливается напряжение:

К времязадающей цепи RC теперь приложено напряжение +U_м, под действием которого закрывается диод VD2 и начинается заряд конденсатора С. Когда, спустя время t₁, напряжение u_c достигнет порога U_п, операционный усилитель переключится и вернется в первоначальное состояние. Конденсатор С начнет разряжаться и, спустя промежуток времени t_р, называемый временем релаксации, напряжение u_c станет отрицательным, диод VD1 откроется и цикл закончится.

Процессы в схеме описываются тем же уравнением (38), но начальное условие иное, и его решение для одновибратора имеет вид:

u_c(t) = U_M - (U_M + U_Д)e^-t/RC

Где:

U_Д - падение напряжения на открытом диоде VD1.

Отсюда найдем длительность импульса одновибратора:

t₁ = RCln {[1 + (R₁/R₂)] [1 + (U_Д/U_М)]}

Из последнего выражения видно, что длительность импульса одновибратора зависит от выходного напряжения насыщения ОУ, которое, в свою очередь определяется напряжением питания.

Другим недостатком рассмотренной схемы является значительное время релаксации, в течение которого на одновибратор нельзя подавать запускающий импульс (иначе будет сокращена длительность выходного импульса). Эти недостатки отсутствуют у одновибратора, выполненного на специализированных ИМС, называемых аналоговыми таймерами.

5. Генератор прямоугольного и треугольного напряжений

Как видно из диаграммы на рисунке 3, 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 (рисунок 4). Здесь на усилителе ОУ1 выполнен не инвертирующий триггер Шмитта, а на ОУ2 - интегратор.

Интегратор интегрирует постоянное напряжение, имеющееся на выходе триггера Шмитта. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на его выходе U₁ скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта.

Рисунок 4. - Схема генератора прямоугольных и треугольных колебаний:

Изменяя постоянную времени интегрирования RC, можно перестраивать частоту формируемого напряжения в широком диапазоне.

Амплитуда треугольного напряжения U₂ зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта U_п, который для данной схемы включения триггера составляет 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.

6. Условия возбуждения

На рисунке 5 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 U_вых. Обозначим аргумент комплексного коэффициента звена обратной связи b символом y.

Рисунок 5. - 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 Ч К_U = 1

Из последнего комплексного соотношения вытекают два вещественных:

|b|Ч|К_U| = 1

j + y =0,2 p

Первое уравнение называют условием баланса амплитуд, а второе - 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.

7. RC-генератор синусоидальных колебаний

Простейшая схема RC-генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рисунке 6а.

В качестве звена обратной связи использован полосовой RC-фильтр, частотные характеристики которого приведены на рисунке 6б. Здесь по оси абсцисс отложена относительная частота W = wRC, поэтому средняя частота равна единице. Фазовый сдвиг на средней частоте y=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 1/3.

Рисунок 6. - RC-генератор синусоидальных колебаний:

Для выполнения условия баланса амплитуд ОУ по не инвертирующему входу должен иметь коэффициент усиления К=3.

В целом, цепь, подключенная к ОУ (полосовой фильтр и делитель R₁R₂), называется мостом Вина-Робинсона.

При строгом выполнении условия и идеальном ОУ в схеме на рисунке 6а будут существовать незатухающие колебания с частотой:

f = 1 / 2p * RC

Однако амплитуда этих колебаний не будет определена. Кроме того, даже самое незначительное уменьшение R₁ вызовет затухание колебаний.

Напротив, увеличение R₁ 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 R₂ используют нелинейный элемент - микро мощную 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.

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 частотах, дает применение так называемых функциональных генераторов.

8. Функциональный генератор

Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рисунке 7. Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжения и блок формирования синусоидального сигнала.

Рисунок 7. - Блок-схема функционального генератора:

Как показано ранее, 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 множителя. 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 имеют ряд недостатков. Например, на рисунке 8 показано характерное искажение формы сигнала в виде его «разрыва» на вершине, вызванное искажениями при коммутации ключа в схеме формирования сигнала. Это искажение переносится и на синусоидальное напряжение. Данное искажение можно увидеть на осциллографе при крупном масштабе.

Рисунок 8. - «Разрыв» треугольного сигнала:

9. Функциональный генератор NI ELVIS

Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, в учебной установке NI ELVIS компании National Instrument функциональный генератор строится на базе интегральной микросхемы функционального генератора XR 2206.

XR-2206 является монолитной интегральной схемой функционального генератора, способной вырабатывать высококачественный синусоидальный, прямоугольный, треугольный, пилообразный сигнал, и импульсы произвольной формы высокой стабильности и точности.

Схема идеально подходит для коммуникаций, разработки различных устройств и изготовления функционального измерительного генератора.

Вырабатываемое напряжение может быть модулировано внешним напряжением по амплитуде или частоте. Частота операции может быть внешне регулируема в диапазоне от 0,01Hz до более чем 1 МГц.

Возможен режим FSK (freguency shift keying) - представление данных при помощи сигнала с частотной манипуляцией (модулирующим сигналом является бинарный сигнал) - популярный метод представления двоичных данных для передачи по телефонным линиям.

XR-2206 имеет превосходную температурную стабильность, 20 ppm.

Предусмотрен режим качания частоты с внешним управляющим напряжением и амплитудой качания 2000:1, при низком искажении формы. Искажение формы синусоидального напряжения не более 0.5%.

Обобщенная блок-схема функционального генератора NI ELVIS показана на рисунке 9. Интегральная микросхема XR 2206 вырабатывает напряжения с возможностями выбора формы, амплитудной и частотной модуляции. Амплитуду выходного сигнала можно регулировать с помощью внутреннего 8-разрядного цифроаналогового преобразователя или вручную с помощью ручки на панели управления настольной рабочей станции NI ELVIS. Грубая установка частоты осуществляется с использованием одного из четырех конденсаторов частотной селекции. Точная настройка частоты осуществляется с помощью встроенного 8-разрядного цифроаналогового преобразователя. Выходной сигнал FUNC OUT через схему единичного усиления и резистор 50 Ом подается на другие приборы NI ELVIS. На защитную плату сигнал функционального генератора проходит через защитный резистор 100 Ом, размыкаемый при перегрузке по току.

Рисунок 9. - Блок-схема функционального генератора:

10. Генераторы напряжения произвольной формы

Генераторы напряжения произвольной формы AFG.

Функциональные генераторы произвольной формы (Arbitrary/ Function Generators - AFG) являются цифровыми устройствами, основанными на принципе прямого цифрового синтеза (DDS) и характеризуются фиксированной частотой дискретизациии фиксированную длину внутренней памяти (так называемую таблицу памяти, в которой заложена форма одного периода колебания) для формирования цифровых отсчетов сигнала.

Схема адресации в этих приборах работает с применением фазового аккумулятора (рисунок 10).

Рисунок 10. - Принципиальная схема генератора AFG на основе DDS:

При такой схеме увеличение частоты достигается путем пропуска некоторых точек в таблице, а уменьшение частоты - за счет повторения точек. Пропуски или повторения точек могут происходить не на каждом цикле, но эти точки не являются всегда одними и теми же (эффект «разрыва фазы»). Что может приводить при формировании периодического сигнала к эффектам амплитудной модуляции в выходном сигнале, а также к увеличению джиттера и фазовых шумов (рисунок 11). Более того, по своей архитектуре AFG всегда будут иметь маленькую память и отсутствие возможностей по формированию отдельных сегментов памяти для формирования длинных «живых» сигналов или последовательно повторяющихся посылок.

Рисунок 11. - Джиттер в низкочастотном сигнале типа «меандр», вызванный повторением точек:

11. Генераторы напряжения произвольной формы AWG

Генераторы сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generators - AWG) - цифровые генераторы, основанные на применении памяти, со способностью передачи через цифро-аналоговый преобразователь любой формы сигнала, включая нарисованную от руки или восстановленную путем захвата реального сигнала с помощью цифрового осциллографа. При его возможностях и способностях AWG позволяет пользователю увеличивать или уменьшать амплитуду и частоту, повторять сигналы так частот как это необходимо или изменять сигналы различными способами. Основной чертой AWG является переменная частота дискретизации, что позволяет генерировать превосходно повторяемые выходные сигналы сложной формы.

Частота сигнала будет определяться по используемой частоте дискретизации и количества точек в таблице памяти по следующей формуле:

Рисунок 12. - Принципиальная схема AWG:

Либо частота дискретизации, либо длина таблицы памяти, либо они вместе могут быть настроены для получения желаемой частоты выходного сигнала. Поэтому с AWG, любой сигнал повторяется точно, без наложений.

Будучи основанным на использовании памяти, AWG дает возможность пользователю программировать свою память путем деления ее на сегменты данных и использовать каждый сегмент индивидуально (рисунок 13). Кроме того, генераторы сигналов произвольной формы обычно оснащены последовательным режимом, который позволяет связывать или повторять сегменты любым образом по выбору пользователя. Несколько расширенных режимов обеспечивают различные пути по формированию выходного сигнала: непрерывный, пошаговый, однократный, смешанный и т. д.

Рисунок 13. - Воспроизведение сигнала с использованием сегментов: синус, меандр, треугольник, экспонента, шум, повторение сегмента меандра:

В отличие от AFG, генераторы AWG могут быть синхронизированы для обеспечения многоканальных решений (рисунок 14). Однако, использование различных частот дискретизации в AWG затрудняет реализацию стандартных видов модуляции и быстрой перестройки частоты выходного сигнала.

Рисунок 14. - Мультигенераторная синхронизация:

12. Сравнение генераторов AFG и AWG

Многие производители пытаются убедить пользователей, что генераторы AFG, построенные по технологии DDS, с очень высокой частотой дискретизации являются на сегодня лучшим решением.

Необходимо понимать, что эти приборы не являются традиционными функциональными генераторами, как не являются и генераторами сигналов произвольной формы.

Когда рассматриваются традиционные функциональные генераторы, то они устроены так, что сигнал проходит через аналоговые цепи и позволяет воспроизводить колебания во всем диапазоне частот генератора. В этой связи, все AFG-генераторы являются только цифровым подражанием функциональным генераторам. Другими словами, пользователь, имеющий в своем распоряжении AFG-генератор с максимальной частотой 100 МГц, может наблюдать только синусоидальный сигнал этой частоты, но прямоугольный сигнал уже будет ограничен частотой 50 МГц, а более сложный сигнал, например треугольный, вообще будет иметь максимальную частоту 1 МГц. Причина этого явления состоит в том, что для цифрового AFG-генератора частота выходного сигнала рассчитывается исходя из фиксированной частоты дискретизации, деленной на количество точек памяти.

Являясь цифровым прибором, значит ли это, что AFG - полнофункциональный генератор произвольных сигналов? Ответ - НЕТ. Потому что AFG-генератор имеет фиксированную частоту дискретизации и архитектуру DDS, не позволяющую оснастить их длинной памятью и режимами ее управления, что необходимо для формирования «живых» и сложных сигналов.

В настоящем AWG-генераторе частота и память связаны, поэтому каждая точка памяти оцифровывается ЦАП и выходной сигнал состоит из точно повторяющихся шаблонов для каждого периода. Поскольку при этом не используется пропуск или повторение точек сигнала (как в случае использования фазового аккумулятора), фазовые шумы выходного сигнала минимальны.

Возникает вопрос: является ли AWG-генераторы прибором мечты, который необходим на рынке? К сожалению, то же нет. Дело в том, что AWG-генераторы выпускается долгие годы и хотя они могут воспроизводить любой «живой» сигнал, но имеют существенные ограничения по генерации модулированных сигналов. Кроме этого, обычно они являются очень дорогостоящими.

12. Генераторы напряжения произвольной формы серии Wonder Wave

В новой серии Wonder Wave объединенр лучшее от обоих топов генераторов, взяв и возможности от каждого типа. Являясь полнофункциональными генераторами сигналов произвольной формы с возможностью управления памятью для создания сложных сигналов, новые приборы позволяют также работать в режиме DDS для формирования всех стандартных форматов модуляции и осуществлять быструю перестройку частоты. генератор сигнал усилитель

Дизайн серии Wonder Wave характеризуется высоким уровнем интеграции, позволяющим в одном приборе реализовать генераторы для различных приложений: сигнальный, функциональный, импульсный, цифровых последовательностей, модуляции, качания частоты, шума, видеосигналов, поскольку AWG-генераторы теоретически могут воспроизвести все формы сигналов.

Размещено на Allbest.ru