Генератори низькочастотні, класифікація, характеристика, схеми, принцип дії

Як відомо, в більшості генераторів використовуються схеми стабілізації амплітуди коливань. Такі схеми мають три важливих недоліки: по-перше, в них як в системах автоматичного регулювання можуть виникати паразитні коливання амплітуди сигналу генератора. По-друге, після включення живлення амплітуда встановлюється не відразу, а після більш-менш тривалого перехідного процесу. По-третє, деталі стабілізації амплітуди ускладнюють генератор. Тому виникає бажання обійтися без схеми стабілізації амплітуди.

Трикутник - в синус. Один з варіантів отримання синусоїдального сигналу без схеми стабілізації амплітуди такий: напруга трикутної форми подається на спеціальний обмежувач амплітуди. "Сплюснув" вершини трикутного напруги одержуємо синусоїдальна. У журналах "Радіо" було опубліковано кілька подібних схем на дискретних елементах. Зараз цей принцип використовується в мікросхемах MAX038 фірми Maxim Integrated Products (США) і XR-2206 фірми Exar (США). Виявилося, що мікросхема MAX038 дуже дорога (кілька сот рублів на момент написання статті). Мікросхема XR-2206 виявилася дешевше (близько ста рублів). Я її випробував у типовій схемі включення. Виявилося, що хоча коефіцієнт гармонік у неї за документами 1-2% (допускаю що так і є насправді), нелінійні спотворення все ж помітні на екрані осцилографа. Виявляється, що на вершинах синусоїди залишається невеликий викид. Оскільки я розробляв генератор для вимірювальної апаратури, від цієї мікросхеми вирішив відмовитися. Хоча для тих випадків, коли коефіцієнт гармонік не має вирішального значення мікросхема XR-2206 підійшла б дуже добре - причепив кілька деталей і генератор готовий.

Зауважу ще одну особливість схем з перетворенням трикутника в синус. Якщо американські товариші написали в технічних даних, що мікросхема працює на частотах до 1MHz, то це не означає, що вона ДОБРЕ працює на частоті 1MHz. Випробувана мною мікросхема XR-2206 добре працювала на звукових частотах, тобто спотворення синусоїди і зміна амплітуди при перебудові частоти були Рисо помітні на звукових частотах, але на частотах понад 1MHz амплітуда залежала від частоти і ставали помітними спотворення.

2.2. Прямокутник - в синус. Інший спосіб отримати синусоїду без пристрою стабілізації амплітуди коливань - фільтрацією прямокутного напруги. Такий генератор вдалося зробити на одній мікросхемі - операційному підсилювачі тіпаTL072. Ця мікросхема була обрана оскільки дуже поширена і дешево коштує. Хоча в мікросхемі є два підсилювача, з них використано лише один. Схема генератора наведена на рис. 1.

Підсилювач охоплений зворотним зв'язком через триланкову RC-ланцюжок, яка одночасно є фазосдвигающей і фільтрує. Оскільки у схемі рис. 1 операційний підсилювач не охоплений негативним зворотним зв'язком, у нього на виході (висновок 1) виходить напруга прямокутної форми. Пройшовши через RC-ланцюг сигнал отримує фазовий зсув, необхідний для підтримки генерації. Крім того, вищі гармоніки прямокутного напруги фільтруються, тому на вході підсилювача (висновок 2) напруга має форму, близьку до синусоїдальної. Амплітуда сигналу генератора визначається обмеженням в мікросхемі підсилювача за рівнями близько нуля і близько напруги живлення. Оскільки обмеження в мікросхемі не строго симетричне, дільник в ланцюзі виведення 3 мікросхеми підібраний таким чином, щоб отримати симетричну синусоїду на виведення 2.

Схема має два недоліки. Перший - досить помітні спотворення синусоїдального сигналу. Другий - залежність амплітуди вихідного сигналу від напруги живлення. Крім того, оскільки мікросхема працює в режимі обмеження, частота і амплітуда можуть виявитися нестабільними. Гідність схеми рис. 1 - дешевизна. Коротше, для вимірювальної апаратури схема рис. 1 не підійшла.

Однак цікава ідея. У будь-якому генераторі є підсилювач і частотозадающіх ланцюг. Всю історію людства сигнал зніРиси з виходу підсилювача. Як відомо, підсилювач видає сигнал з більшими чи меншими нелінійними спотвореннями. Тому якщо потрібно отримати синусоїду з низьким рівнем спотворень, сигнал краще знімати з виходу частотозадающей ланцюга. Як показали досліди, рівень спотворень там може виявитися нижче, ніж на виході підсилювача. Схема рис. 1 - яскравий тому приклад: підсилювач працює в явно нелінійному режимі і видає напругу прямокутної форми, а на виході фазосдвигающей ланцюга - майже синусоїда.

2.3. Генератор синусоїдального сигналу на мосту Вина c нелінійним елементом в ланцюзі ООС. Міст Вина здавна водиться в схемах генераторів низької частоти. Автор також вирішив його використовувати. Міст Вина зручний тим, що дозволяє перебудовувати частоту здвоєним змінним опором або здвоєним змінним конденсатором. Як відомо, придбати здвоєне змінний опір набагато простіше ніж, наприклад, будівлю або зчетвереної. В якості підсилювача була використана широко розповсюджена і недорога мікросхема NE5532. Схема представлена ​​на рис. 2.

Подібні схеми в достатку публікувалися в журналах і книгах. Різниця між ними - в нелінійному елементі в ланцюга негативного зворотного зв'язку (ООС) операційного підсилювача. Краще чи гірше схема може працювати з чим завгодно - діодами або стабілітронами з кремнію, германієвими діодами, арсенідгалліевимі світлодіодами. З різних видів нелінійних елементів найнижчі нелінійні спотворення вдалося отримати з германієвими транзисторами в діодному включенні. Через сильну залежність амплітуди від температури вирішено було відмовитися від застосування схеми рис. 2.

Проблема виявилася така. Здвоєні змінні опору мають більший або менший розкид половин. Крім того, коефіцієнт передачі підсилювальних елементів генератора залежить від частоти. Тому якщо генератор повинен працювати в діапазоні частот, потрібно забезпечити автоматичне регулювання посилення в широких межах. Схема з обмежувачем типу рис. 2. впоратися з цим завданням не може оскільки при недостатній зворотного зв'язку схильна до спотворення форми коливань, а при занадто глибокої - до зриву генерації. Тому від схеми рис. 2 важко добитися хорошої роботи в широкому діапазоні частот. Також можна припустити, що оскільки нелінійний елемент має деяку ємність, на високих частотах зворотній зв'язок буде глибше, а посилення - менше.

3. Генератори з системою автоматичного регулювання амплітуди. Оскільки в мене було бажання розробити універсальний генератор, здатний працювати в широкому діапазоні частот, було випробувано кілька схем з автоматичним регулюванням амплітуди. Як керованого елемента для регулювання посилення використовувалися польові транзистори або лампочки розжарювання.

3.1. Генератор з автоматичним регулюванням амплітуди на польовому транзисторі. З давніх пір польові транзистори застосовувалися як елементи з керованим опором. Включивши польовий транзистор в ланцюг зворотного зв'язку операційного підсилювача можна міняти посилення. Схема генератора з польовим транзистором представлена ​​на рис. 3. Тут щоб спростити схему дільник 1/2 напруги живлення на вході мікросхеми використаний як один з резисторів моста Вина. Недоліком даної схеми виявилася схильність до самозбудження системи автоматичного регулювання, тобто паразитним коливанням амплітуди. Автор провів неРисо часу намагаючись позбавити схему від схильності до паразитних коливань, але це зробити не вдалося. Тому від схеми рис. 3. довелося відмовитися. Схема з автоматичним регулюванням амплітуди на польовому транзисторі цікава тим, що може бути зроблена з дуже Рисим струмом споживання. Тому автор буде дуже вдячний якщо хтось поділиться своїм досвідом у розробці подібних схем.

3.2. АРУ на польовому транзисторі. Виявилося що хоча схему автоматичного регулювання амплітуди на польовому транзисторі важко змусити працювати для підтримки амплітуди генератора, вона добре працює як пристрій автоматичного регулювання підсилення. Т. е. її можна застосувати, наприклад, з мікрофоном для автоматичного регулювання рівня запису (Аруз).

Як приклад схеми АРУ на польовому транзисторі можна привести лабораторний макет, виготовлений в ПГУ на кафедрі РТіРЕС (див. рис. 4). Живлення макета - двухполярной. Для демонстрації роботи АРУ з різними постійними часу в ній перемикачем (умовно не показаний) підключається один з декількох конденсаторів. Затримка АРУ (тобто напруга, починаючи з якого посилення починає зменшуватися) перемикається включенням від одного до десяти діодів (використані Д814 в ПРЯМОМУ включенні т. к. вважається, що у них різкий перегин ВАХ і на прямий галузі теж) між детектором АРУ і ланцюгом затвора польового транзистора.

Оскільки пристрій АРУ на польовому транзисторі добре себе показало, схема подібна рис. 4. може стати в нагоді в звуковідтворювальної апаратури. Автор виготовив макет системи автоматичного регулювання посилення НЧ, зручною для практичного використання (рис. 5).

схема має однополярної живлення 12V. На вході передбачений дільник, який можна підібрати для роботи з тим чи іншим джерелом сигналу. Як тільки знайдеться для цього час потрібно буде випробувати схему рис. 5. для обмеження гучності телевізора під час реклами.

3.3. Генератор з автоматичним регулюванням амплітуди на лампі розжарювання. Оскільки генератор НЧ з автоматичним регулюванням амплітуди, не схильний до паразитних коливань при перебудові частоти на польовому транзисторі виготовити не вдалося, була випробувана схема з лампочкою розжарювання (див. рис. 6).

Схема рис. 6. працювала цілком задовільно, тому на ній вирішено було зупинитися. Недоліком схеми є досить великий струм споживання (близько 150mA). Оскільки струм споживання залежить від типу застосовуваної лампи, її краще взяти Рисопотужну. Автор використав комутаторну лампу КМ6-50 6V 50mA. Оскільки вихідна потужність мікросхеми NE5532 недостатня для роботи з лампою розжарювання, до мікросхеми був доданий емітерний повторювач. Повторювач працює в режимі A, що дозволяє добре використовувати частотні властивості транзистора. Колектор транзистора заземлений, тому радіатор можна не ізолювати. Опору по 50Ω в ланцюзі емітера і послідовно з лампочкою підібрані для лампочки КМ6-50. Якщо вдасться знайти лампочку з меншим робочим струмом, можна буде застосувати більш високоомні опору, що зменшить споживання генератором струм. В результаті доопрацювання схеми рис. 6. вийшла схема рис. 7, яка була взята за основу для розробки закінченої конструкції.

Оскільки здвоєне змінний опір R1 обов'язково має деякий розкид половин, вирішено було передбачити підбір додаткового опору послідовно з однієї з половин щоб зменшити зміна амплітуди при перебудові частоти. В моєму випадку треба було встановити R4 на 270W.

Опір R5 запобігає перевантаження входу мікросхеми. При подальших дослідах зі схемою виявилося, що через налічіяR5 вхід мікросхеми стає підданий дії наведень і від нього було вирішено відмовитися (замінити перемичкою).

Щоб оцінити стабілізуючу дію лампи розжарювання був поставлений наступний експеримент. Міст Вина був відключений, а замість нього до точки "A" підключили генератор НЧ. Так вдалося зняти амплітудну (рис. 8) і амплітудно-частотну характеристику підсилювача з лампою розжарювання в ланцюзі зворотного зв'язку. Як видно з рис. 8, посилення повільно знижується при збільшенні вхідної напруги. АЧХ не має спотворень до 200kHz (нічим було перевірити на частотах понад 200kHz).

Схема рис. 7 показала себе задовільно і на її основі був розроблений модуль генератора НЧ LFO1M0. Принципова схема модуля показана на рис. 9. Далі наводиться її докладний опис.

Генератор НЧ зібраний на нижній за схемою половині мікросхеми DA1 типу NE5532. У генераторі є дві ланцюга зворотного зв'язку - позитивною, за рахунок якої і відбувається генерація коливань і негативною для стабілізації амплітуди коливань.

Ланцюг позитивного зворотного зв'язку (R2 C1 R1.1 R1.2 R3 C2) являє собою міст Вина. За допомогою здвоєного змінного опору R1.1 R1.2 можливе регулювання частоти коливань. Опору R2 і R3 обмежують діапазон регулювання частоти. Якщо модуль збирається для використання в якості лабораторного генератора НЧ, опору R2 і R3 можна підібрати таким чином, щоб домогтися найменших коливань амплітуди при повороті ручки установки частоти через розкиду половин R1.1 і R1.2. Для роботи в декількох діапазонах частот можна перемикати конденсатори C1 і C2.

Через перемичку R5 і конденсатор C3 сигнал надходить на неінвертуючий вхід мікросхеми. Опору R7 і R8 утворюють дільник, з якого знімається напруга, рівне половині напруги живлення. Конденсатор C7 служить для придушення перешкод. Через опір R6 з дільника напруга зміщення подається на вхід мікросхеми і задає її режим роботи по постійному току.

Ланцюг негативного зворотного зв'язку складається з резистора R10, через який діє зворотній зв'язок по постійному струму і ланцюжки R11 HL1. Конденсатори C4 і C5 - розділові. Опір R11 і лампа розжарювання HL1 утворюють дільник негативного зворотного зв'язку, за допомогою якого стабілізується амплітуда коливань. Розглянемо як відбувається стабілізація амплітуди. Припустимо, що за будь-яких причин амплітуда збільшилася. При збільшенні вихідної напруги генератора (на виведення плати OUT) збільшується і струм через дільник. Збільшення струму через HL1 призводить до розігріву її нитки. Оскільки нагріта нитка лампи розжарювання має більший опір, ніж холодна, коефіцієнт передачі подільника R11 HL1 збільшується. Це призводить до збільшення глибини негативного зворотного зв'язку та зменшення амплітуди коливань.

Оскільки вихідна потужність мікросхеми DA1 недостатня для роботи з лампою розжарювання, навантаження і ланцюги зворотного зв'язку підключені до неї через емітерний повторювач на транзисторі VT1. Оскільки застосовано транзистор VT1 структури PNP, його колектор виявляється з'єднаний із загальним проводом, тому радіатор не потрібно ізолювати.

У схемі рис. 9 також передбачена можливість установки мікросхеми-стабілізатора DA2 в ланцюзі живлення. Оскільки її теплоотвод з'єднаний із загальним проводом, радіатор мікросхеми DA2 також не потрібно ізолювати. Джерело живлення повинен забезпечити в точці POW2 напруга 12V.

У схемі використовується один з двох підсилювачів мікросхеми DA1. Другий підсилювач може бути використаний як повторювача. Якщо другий підсилювач не потрібний, потрібно з'єднати висновки плати U / 2 і FI.

Для схеми рис. 9 була розроблена друкована плата (див. рис. 10). В ній використані постійні опору типу МЛТ (С2-23, С2-33, MF) потужністю 0.5W, крім опорів R9 і R11 типу SQP (в прямокутному керамічному корпусі) потужністю 5W. У опорів і конденсаторів, які буває потрібно підібрати передбачено по два отвори для кожного з висновків. У ці два отвори можна пропустити дротяну петлю, звиту з боку установки радіодеталей. Знизу (тобто з боку друкованих провідників) цю петлю потрібно припаяти до друкованих провідникам, а зверху до неї зручно припаювати підбираються деталі. Конденсатори C6, C7, C8 і C3 Рисогабаритні керамічні з відстанню між висновками 5mm. C5 - типу К73-17 або з меншими розмірами (передбачена додаткова пара отворів).