Функциональными генераторами принято называть генераторы способными выдавать сразу несколько видов сигналов, например, прямоугольных, треугольных и синусоидальных.Разнообразие форм сигналов таких генераторов позволяют использовать их для тестирования, отладки и исследования самой разнообразной электронной аппаратуры.
Структурная схема функционального генератора изображена на рис. 161. Работает он следующим образом: постоянное напряжение с выхода триггера Шмитта поступает на интегратор, на выходе которого формируется линейно-изменяющееся напряжение (в зависимости от того, в каком состоянии находится триггер, напряжение возрастает или уменьшается). Триггер имеет два порога срабатывания — верхний и нижний. При достижении одного из них триггер Шмитта срабатывает, напряжение на его выходе (а значит, и на входе интегратора) изменяется, начинается формирование второй ветви треугольного напряжения. Амплитуда треугольного напряжения определяется разностью пороговых напряжений триггера, а частота — постоянной времени интегратора и значениями пороговых напряжений триггера (чем меньше разница пороговых напряжений, тем быстрее будет переключаться триггер). Если требуется сформировать пилообразное (несимметричное треугольное) напряжение, то необходимо автоматически изменять постоянную времени интегрирования при смене знака производной треугольного напряжения.
Схема функционального генератора существенно упрощается, если интегратор, триггер и формирователь синусоидального напряжения выполнить на операционных усилителях. При этом уменьшается количество радиоэлементов, повы-
Рис. 161. Структурная схема функционального генератора
шается повторяемость, уменьшается объем регулировок. В простых генераторах вместо ОУ обычного типа можно использовать инверторы КМОП-микросхем. Известно, что если .инвертор с помощью внешних элементов перевести в активный режим, он превращается в инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи от нескольких десятков до нескольких сотен.
Для построения функционального генератора оказывается достаточно одной микросхемы K176ЛA7 или аналогичной. На одном элементе 2И-НЕ (входы объединены и он превращен в инвертор) выполняется интегратор, на двух, соединенных последовательно, — триггер Шмитта, и еще один четвертый элемент используется в блоке формирования синусоидального сигнала.
Принципиальная схема одного из вариантов простого функционального генератора приведена на рис. 162. Триггер Шмитта выполнен по традиционной схеме на инверторах DD1.2 и DD1.3. Инвертор DD1.1 используется в интеграторе, a DD1.4 — в формирователе синусоидального напряжения.
Частота функционального генератора регулируется переменным резистором R4. Для изменения коэффициента заполнения (скважности) прямоугольного сигнала и симметрии треугольного и синусоидального сигналов служит цепь VD2, VD3, R5. Перемещая движок переменного резистора R5, можно изменять постоянные времени заряда и разряда хронирующего конденсатора С2 интегратора, изменяя тем самым постоянные времени интегратора для каждой ветви треугольного напряжения, а значит, и скважность прямоугольных импульсов и симметрию синусоидального сигнала. Конденсатор СЗ — антипаразитный, его величина подбирается по отсутствию на треугольном напряжении выбросов и нелинейности. Элемент DD1.4 формирует из треугольных импульсов трапецеидальные. В силу особенностей вольт-амперных характеристик полевых транзисторов, входящих в состав КМОП-инвертора, углы трапецеидальных импульсов слажены, и их форма близка к синусоиде.
Для получения наилучшей формы синусоиды треугольное напряжение должно быть строго симметрично, поэтому при работе с синусоидальным сигналом не-
Рис. 162, Принципиальная схема простого функционального генератора
обходимо корректировать его форму не только переменным резистором R6 «Форма», которым регулируется коэффициент усиления ОУ на элементе DD1.4, но и потенциометром R5 «Симметрия». Коэффициент гармоник синусоидального напряжения на выходе элемента DD1.4 велик — до 10% и даже более, поэтому для окончательного формирования синусоиды вслед за DD1.4 включен однозвенный фильтр нижних частот R12C4 с частотой среза примерно 1,4 кГц.
На каждом из трех выходов функционального генератора установлены делители напряжения, с помощью которых выравниваются амплитуды прямоугольного, треугольного и синусоидального сигналов. Чтобы выходное сопротивление генератора было одинаково по всем трем выходам, сопротивление нижнего по схеме плеча делителей выбрано одинаковым, равным 12 кОм. Выходное сопротивление генератора довольно велико — около 10 кОм, поэтому желательно, чтобы входное сопротивление проверяемых устройств было не менее 100 кОм, в противном случае амплитуда выходного сигнала будет зависеть от значения входного сопротивления. Если это нежелательно — выходное сопротивление генератора можно понизить, уменьшив пропорционально сопротивление резисторов делителей. На выходах генератора отсутствуют разделительные конденсаторы, поэтому выходные сигналы однополярны. При работе с устройствами, на входе которых нет разделительных конденсаторов и постоянная составляющая выходного сигнала генератора нарушает их нормальную работу, конденсаторы можно включить в разрыв сигнального провода.
Следует отметить, что несмотря на то, что частоту функционального генератора можно изменять в довольно широких пределах, делать это нецелесообразно. Во-первых, для проверки основных характеристик большинства радиоэлектронных узлов достаточно изучить прохождение прямоугольных и треугольных импульсов фиксированной частоты, во-вторых, в простейших функциональных генераторах, а именно к ним и относится рассматриваемый генератор, при изменении частоты одновременно изменяется и скважность (симметрия) сигнала, а при корректировке симметрии несколько изменяется частота. В результате перестройки частоты требует манипуляций двумя ручками, что неудобно уже само по себе и, кроме того, сужается диапазон перестройки, в пределах которого остается неизменной скважность (симметрия) выходного сигнала. Наиболее приемлемым представляется работа с функциональным генератором, настроенным «а одну фиксированную частоту.
Для проверки устройства звукового диапазона частот в качестве опорной удобно взять частоту 1 кГц или, например, для проверки магнитофонов 400 Гц.. Известно, что для удовлетворительной передачи прямоугольных импульсов со скважностью 2 (меандр) полоса пропускания тракта должна по крайней мере на порядок превышать частоту следования импульсов. При большей скважности требуется еще большая полоса пропускания тракта. Таким образом, по искажению формы прямоугольных импульсов можно судить о полосе пропускания проверяемого тракта и при необходимости вносить коррективы. Малые габаритные размеры, экономичность и простота функционального генератора позволяют встраивать его непосредственно в аппаратуру —в магнитофон, усилитель звуковой частоты, измерительный прибор и т. д. — и использовать при контрольных проверках.
Функциональный генератор, схема которого приведена на рис. 162, имеет следующие параметры:
Количество выходных сигналов.......3 (прямоуголь
ный, 'треугольный, синусоидальный
Рабочая частота, Гц............ 1000±350
Амплитуда прямоугольного, треугольного и синусоидального
сигналов, В............. 0,28
Эффективное значение синусоидального сигнала, В 0,2
Коэффициент гармоник синусоидального сигнала, % . . 2
Длительность фронтов прямоугольного сигнала, мкс. ... 5
Нелинейность треугольного сигнала, % ...... 3
Ток, потребления от источника питания напряжением 12 В, мА................12
При необходимости функциональный генератор можно сделать многодиапазонным, для этого достаточно установить переключатель диапазонов, коммутирующий конденсаторы С2, С4 и СЗ, емкость которых нужно подобрать для каждого диапазона.
Функциональный генератор смонтирован на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5... 2 мм. Плата для однодиапазонного варианта генератора имеет размеры 40X100 мм, ее чертеж изо-
Рис. 163. Чертеж платы для однодиапазонного варианта генератора: а — расположение проводников; б — расположение деталей
бражен на рис. 163,а, а расположение деталей —на рис. 163,6. Печатная плата рассчитана на применение резисторов МЛТ мощностью 0,25 Вт, конденсаторов КМ-6 (С2—С4) и К50-6 (С1), переменных резисторов СП4-1, диодов КД503Б (VD2, VD3), стабилитрона КС156А (VD1), интегральной микросхемы К176ЛА7 (DD1).
Схема некритична к параметрам и типам применяемых радиодеталей. Резисторы и конденсаторы могут быть любых типов, желательно только, чтобы конденсатор С2 имел минимально возможный ТКЕ. Вместе К176ЛА7 можно использовать без изменения рисунка печатной платы микросхему К176ЛЕ5. Допустимо применение К176ПУ1, К176ПУ2, а также других КМОП-микросхем, содержащих не менее четырех инверторов, в частности микросхем серии К561. При этом, естественно, придется изменить рисунок печатной платы. Необходимо также учитывать специфику некоторых серий. Так, например, микросхемы серии К561 можно питать стабилизированным напряжением от 3 до 15 В. Следует отметить, что •несмотря на то, что номинальное напряжение питания микросхем серии К176 равно 9 В, большинство из них устойчиво работает и при пониженном напряжении питания, что позволило питать функциональный генератор напряжением 5,6 В. Это напряжение некритично и при необходимости (например, с целью увеличения амплитуды выходного сигнала) напряжение питания можно увеличить, заменив стабилитрон КС156А (VD1) на более высоковольтный.
Работать с генератором несложно. Различные виды сигналов треугольной формы удобны при проверке линейности амплитудной характеристики и динамического диапазона устройства — на прямых, с четкими перегибами ветвях треугольного сигнала гораздо лучше, чем на синусоиде, заметны искажения типа «ограничение», «ступенька» и т. п. На фронтах прямоугольного сигнала и на треугольном сигнале хорошо заметны микровозбуждения проверяемого устройства, проявляющиеся в виде выбросов.
Синусоидальный сигнал полезен при измерении коэффициентов усиления каскадов, калибровке индикаторов и т. п.