ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НЧ
Радио 2001 №12В статье описано несколько простых выполненных на ОУ генераторов НЧ, перестраиваемых избирательным фильтром на основе моста Вина или гиратора и стабилизированных по амплитуде сигнала. Для читателей будут полезны формулы расчёта частотно-избирательной цепи и сведения об особенностях работы генераторов на границах полосы рабочих частот.
В низкочастотных генераторах гармонических колебаний часто используют мост Вина и значительно реже низкочастотный гиратор. Генератор с мостом Вина прост, но для него необходим сдвоенный перестраиваемый элемент - резистор или конденсатор. Гиратор же позволяет использовать для перестройки частоты лишь один переменный резистор. Для получения сигнала с коэффициентом нелинейных искажений около 0.01 % в обоих вариантах применяют терморезисторы.
Рис. 1
На рис. 1 показана схема генератора с мостом Вина. Два частотно-зависимых плеча моста подключены к неинвертирующему входу дифференциального усилителя. Два других плеча подключены к инвертирующему входу. Выходное напряжение стабилизирует полупроводниковый терморезистор типа ПТМ-2/0,5, обычно применяемый в промышленных генераторах с мостом Вина. Особенностью этого элемента является малая потребляемая мощность: в режиме стабилизации на нем падает напряжение 2 В при токе 0,5 мА. Выходное напряжение генератора около 3 В и при перестройке частоты практически не меняется. Частота генерации определяется выражением
f=1/2(PI*R*C) [1] при R=R2=R4, C=C1=C3.
Для перестройки частоты генерации используют сдвоенные переменные резисторы или переменные конденсаторы.
Стабильность амплитуды сигнала генератора в значительной мере зависит от того, насколько одинаково изменяются оба элемента перестройки частоты. Однако переменные резисторы со временем могут изменить своё сопротивление. В связи с этим трудно добиться точности установки частоты по шкале в течение всего срока эксплуатации. Лучшие результаты получаются со сдвоенным блоком переменных конденсаторов (лучше с воздушным диэлектриком), у которого для выравнивания начальной ёмкости и ограничения диапазона перестройки частоты секции зашунтированы подстроечными конденсаторами. Используя обычный блок переменных конденсаторов, можно получить десятикратное перекрытие по частоте в одном диапазоне. Для предупреждения паразитного самовозбуждения генератора на высоких частотах введён корректирующий конденсатор C5. Для этой же цели выходной сигнал снимается через развязывающий резистор R5. Такое устройство может генерировать сигналы частотой до 500 кГц, однако на частотах выше 100 кГц его нелинейные искажения возрастают из-за снижения усиления и появления фазового сдвига в ОУ. На самых низких частотах звукового диапазона отмечается увеличение искажений в связи с недостаточной тепловой инерцией терморезистора.
Рис. 2
В случае затруднения в приобретении терморезистора для стабилизации амплитуды возможно использовать миниатюрную лампочку накаливания (например, типа СМН-10). Однако выходного тока дифференциального усилителя для установления лампочки в режим стабилизации (когда её нить имеет тёмнокрасный цвет) не хватает, и нужен более мощный выходной каскад. Для этой цели в генератор по схеме на рис. 2 введён эмиттерный повторитель.
Рис. 3
Высококачественный генератор гармонических сигналов с гиратором был описан ранее в [2]. Преимуществом гиратора является то, что при его применении нет необходимости выдерживать равенство параметров элементов в частотно-зависимых цепях. На рис. 3 показана более простая схема генератора, не содержащая стабилизирующего терморезистора. Тем не менее амплитуда выходного напряжения в этом генераторе остается практически постоянной в широком диапазоне частот. Это объясняется тем, что гиратор имитирует на входе первого усилителя индуктивность с низкими потерями, которая вместе с конденсатором С1 образует колебательный контур с очень высокой добротностью. Генерация возникает благодаря цепи ПОС. введённой в цепь второго усилителя (R7, R8, С5). При возникновении генерации напряжение на этом контуре повышается до тех пор, пока не возрастает шунтирование контура из-за увеличения входного тока первого усилителя В результате из-за снижения добротности этого контура и глубины ПОС дальнейший рост амплитуды колебаний невозможен. От этих параметров зависит и коэффициент нелинейных искажении сигнала, поэтому в конкретном устройстве может потребоваться оптимизация параметров элементов R7, R8, С5. Частоту генерации в таком устройстве при соотношении сопротивлений R3=R6 можно рассчитать по формуле
f=1 /2*PI*[(R1+R5)*R2*Cl*C2]1/2
Для плавного изменения частоты генератора используется переменный резистор R1. при этом возможна её перестройка в 3-4 раза. Выбором ёмкости конденсаторов С1 и С2 можно устанавливать тот или иной диапазон частот генератора. Для простоты следует принять С1=С2=С. При ёмкости 0,22 мкФ частоту сигнала регулируют в полосе 20...70 Гц.
Если для перестройки генератора использовать сдвоенный переменный резистор (вторым регулируемым элементов может быть R3 или R2), частоту можно изменять в 10...20 раз Корректирующая цепь R8C5 необходима лишь при работе генератора на частотах выше 100 кГц, где она увеличивает ПОС и компенсирует уменьшение усиления. Генератор работает до частоты около 500 кГц при возрастании коэффициента нелинейных искажений на максимальной частоте до 2 %.
Напряжение питания генераторов - ±15В.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники - М : Мир, 1993.
2 Петин Г. Применение гиратора в схемах резонансных усилителей и генераторах - Радио, 1996, №11. с. 33,34.
Г. ПЕТИН, г. Ростов-на-Дону
