Генераторы гун на микросхемах

Генераторы управляемые напряжением (ГУН)

Преимуществом LC-генераторов является возможность их перестройки по частоте. В настоящее время перестройка по частоте осуществляется емкостью варикапов. Это позволяет перестраивать генератор по частоте при помощи управляющего напряжения, поэтому подобные устройства называются генераторами управляемыми напряжением (ГУН). Иностранное название — VCO. Пример принципиальной схемы ГУН приведен на рисунке 1.


Рисунок 1. Принципиальная схема LC-генератора перестраиваемого напряжением

Приведенный на схеме генератор выполнен по схеме Клаппа. Для стабилизации режима работы в диапазоне температур применена схема эмиттерной стабилизации. Для того, чтобы индуктивность L1 не замкнула базу транзистора VT1 на корпус, служит конденсатор C4. Перестройка по частоте осуществляется варикапом VD1. Диапазон перестройки ограничивается конденсатором С1. Он же не допускает шунтирования управляющего напряжения индуктивностью частотнозадающего контура L1. Пример зависимости выходной частоты генератора от управляющего напряжения приведен на рисунке 2.


Рисунок 2. Типовая характеристика зависимости частоты выходного колебания от управляющего напряжения

Обычно сигнал на выходе генератора в частотной области изображают в виде дельта функции. Однако в реальных генераторах это не так. Частотная зависимость напряжения на выходе генератора зависит от уровня шумов усилительного прибора и чистоты напряжения питания. Кроме того на эту зависимость влияют параметры частотнозадающего контура. Именно контур приводит к резкому падению уровня шумов при удалении от частоты генерации.

То, что усилительный элемент генератора работает в режиме ограничения напряжения, приводит к тому, что остается только фазовая составляющая шума, а амплитудная срезается. Типовая зависимость спектра сигнала на выходе генератора синусоидального колебания приведена на рисунке 2.


Рисунок 3. Спектр сигнала на выходе LC-генератора

Как видно из данного рисунка, спектральная линия сигнала на выходе генератора, в том числе и ГУН, симметрична. Поэтому на графиках обычно приводится только половина сигнала. Пример зависимости уровня фазовых шумов от отстройки от центральной частоты несущего колебания приведен на рисунке 3.


Рисунок 4. Зависимость уровня фазовых шумов от отстройки от основного колебания генератора

Наличие этих шумов приводит к тому, что при применении генератора в составе супергетеродина, помехи, даже далеко отстоящие по частоте, преобразуются в полосу полезного сигнала. Они воспринимаются приемником как дополнительный шум, а в передатчике повышают уровень шумов на соседних частотных каналах, поэтому уровень фазовых шумов стараются снижать. Один из способов понижения фазового шума приведен на рисунке 4.


Рисунок 5. Принципиальная схема ГУН JTOS-850VW+

Транзистор VT2 с конденсатором C4 подавляют фазовые шумы в зоне малых отстроек от частоты генерации. Перестраиваемый фильтр L2, C7, C8, VD3, VD4 подавляет гармоники полезного сигнала генератора.

Генераторы управляемые напряжением (VCO) выполняют как в виде экранированных печатных плат на поликоровой или фторопластовой печатных платах, как это приведено на рисунке 5, так и в виде интегральных микросхем.


Рисунок 6. Внешний вид ГУН серии DCSR

Чертеж корпуса LFCSP интегральной микросхемы ГУН (VCO) HMC1169 фирмы Analog Devices приведен на рисунке 6. Он позволяет оценить габариты современного исполнения генераторов управляемых напряжением.


Рисунок 7. Чертеж корпуса микросхемы ГУН HMC1169 фирмы analog devices

Дата последнего обновления файла 19.12.2019

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Источник

Схема генератора импульсов, управляемого напряжением (2,5-12В, частота 1-26 кГц)

Как известно, частота RC-генератора, как на логических элементах, так и на другойэлементной базе, сильно зависит от напряжения питания.

Вам понравится:  При увеличении напряжения поданного на конденсатор емкостью 20 мкф

Главным образом это происходит из-за влияния напряжения питания на емкости полупроводниковых переходов и каналов. Что касается мультивибратора на логических элементах, то эффект наибольшим образом проявляется если емкостная составляющая частотозадающей цепи мала, а так же, это очень зависит от схемы.

Как показывает практика, наиболее неблагоприятен с точки зрения стабильности частоты генерации при изменении напряжения питания, мультивибратор на инверторе с триггером Шмитта, в схеме которого емкость включена между входом и общим минусом (рис. 1).

Рис. 1. Мультивибратор на инверторе с триггером Шмитта.

Наибольшей нестабильностью отличается схема на элементах микросхемы CD4584, содержащей шесть инверторов с триггерным эффектом.

Здесь, кроме влияния внутренней емкости микросхемы, существенное влияние оказывает и относительное изменение порогов данного триггера Шмитта при изменении напряжения питания, фактически приводящего к изменению эквивалентного сопротивления между его входом и выходом.

Изменяя напряжение питания микросхемы от 3 до 10V можно получить более чем десятикратное изменение частоты.

Принципиальная схема

На рисунке 2 показана практическая схема ГУНа. Генератором импульсов является микросхема D1. Регулировка частоты производится изменением её напряжения питания (управляющее напряжение +Uупр поступает выводы питания микросхемы.

В результате изменяется не только частота импульсов, но и их амплитуда. Поэтому, для согласования с другими частями логической схемы, в которой будет работать этот ГУН, используется преобразователь уровня на инверторах микросхемы D2.

Причем, здесь первый инвертор (D2.1) благодаря наличию обратной связи через R2 работает в режиме усилителя — ограничителя, и когда размах импульсов мал из-за низкого напряжения питания D1 (управляющего напряжения) происходит их усиление до необходимой величины.

Импульсы же с большим размахом ограничиваются. Микросхема CD4069 представляет собой набор их шести инвертирующих преобразователей уровней.

В отличие от К561ЛН2 она может работать при входном уровне значительно превышающем напряжение питания. Для других микросхем К561 или CD40 это недопустимо, так как может повредить входные цепи логического элемента.

Поэтому, заменять CD4069 похожей К561ЛН2 в данной схеме нельзя. Обратите внимание, питание на CD4069 подается необычно, — на 1-й вывод.

Рис. 2. Схема генератора импульсов, с управляемой напряжением частотой.

В схеме на рисунке 2, при изменении управляющего напряжения от 2,5V до 12V генерируемая частота меняется от 1 кГц до 26 кГц.

Такой генератор, например, может стать основой АЦП, преобразующего входное постоянное напряжение в частоту, в схеме сирены или устройства звуковых эффектов, чтобы тон звука можно было плавно изменять, и во многих других схемах, где требуется плавное изменение частоты под влиянием величины напряжения.

Источник

ГУН на основе микросхемы источника опорного напряжения TL431

TL431 TL431A TL431B KA431 LM431

Микросхема TL431 представляет собой программируемый трехвыводной шунтовой стабилизатор напряжения, функционально подобный стабилитрону с низким температурным коэффициентом. Выходное напряжение TL431 стабилизируется внутренним опорным источником и программируется в диапазоне от 2.5 до 36 В с помощью двух внешних резисторов. Микросхема интересна также широким диапазоном рабочих токов от 1 мА до 100 мА при типовом динамическом сопротивлении 0.22 Ом. Характеристики этих опорных источников делают их отличной заменой для стабилитронов во множестве приложений, таких, скажем, как цифровые вольтметры, источники питания и любые иные схемы, которым нужен прецизионный источник напряжения. В настоящее время они широко распространены в импульсных источниках питания.

При определенных сочетаниях напряжения питания и емкости нагрузки TL431 проявляет любопытную нестабильность, следствием которой является возникновение устойчивой генерации, частота которой может варьироваться в диапазоне от 10 кГц до 1.5 МГц, в основном, в зависимости от входного управляющего напряжения. Отчасти это происходит из-за образования в этих условиях области отрицательного сопротивления. Как показано в предлагаемой статье, причинами нестабильности не являются ни наличие двух внутренних полюсов, ни третий полюс, вносимый внешним конденсатором, включенным последовательно с сопротивлением нагрузки (Рисунок 1). Выходной каскад на одном транзисторе, добавленный для буферизации генератора, формирует выходной сигнал с TTL уровнями.

Вам понравится:  Начальная емкость конденсатора контура
Рисунок 1.
Управляемый напряжением генератор на основе TL431 с буферизованным выходом.

Описание работы TL431

Рисунок 2. Управляемый напряжением генератор на основе TL431 с буферизованным выходом.

Принцип работы генератора можно понять, рассматривая схему в двух аспектах. Первый связан с основной функцией TL431 как источника опорного напряжения. Обратимся к эквивалентной схеме генератора, изображенного на Рисунке 2. Величина постоянного тока I1 (см. Рисунок 3) зависит от напряжения приблизительно следующим образом:

где VKA – напряжение «стабилитрона». Предположим, что вначале конденсатор не заряжен, и, соответственно, VKA = 0. Конденсатор постепенно заряжается частью тока I1 до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет равновесного значения с TL431, то есть, VKA = 2.49 В. Однако зарядный ток на этом не обрывается, и конденсатор продолжает заряжаться. Моделирование переходных процессов в изображенной на Рисунке 2 схеме показало, что напряжению конденсатора достаточно превысить равновесное значение VKA всего на несколько микровольт, чтобы обратная связь вновь восстановила равновесие. Происходит это следующим образом.

Рисунок 3. Упрощенная иллюстрация распределения токов в релаксационном генераторе на основе TL431.

Поскольку база транзистора Q1 напрямую соединена с конденсатором, с ростом VKA увеличивается и напряжение на эмиттере Q1 (которое также является напряжением базы Q11), и, соответственно, увеличивается ток через транзистор Q11. Транзистор Q9 и резистор R8 образуют коллекторную нагрузку Q11. Поэтому увеличение коллекторного тока Q11 приводит к снижению коллекторного напряжения Q9. В связи с тем, что Q9 и Q10 являются элементами токового зеркала, коллекторные токи этих двух транзисторов имеют ту же величину, что и Q11, но Q10 имеет динамическую коллекторную нагрузку в виде транзистора Q6, который через резистор R5 получает ток базы от второго токового зеркала, состоящего из транзисторов Q2, Q4 и Q12. Конструкция токового зеркала такова, что начальный рост эмиттерного напряжения Q1 увеличивает его напряжение VBE. Это вызывает увеличение тока коллектора Q6, а, следовательно, и коллекторного тока Q10. В результате напряжение на его коллекторе возрастает, и также возрастает напряжение на подключенной к нему базе транзистора Дарлингтона Q7, Q8, отчего Q8 открывается, и напряжение VKA быстро спадает. В данной конкретной схеме вывод опорного напряжения (R), к которому подключен конденсатор, соединен с выводом катода (K). Таким образом, как только напряжение на конденсаторе начинает превышать равновесное значение, устройство стремится тут же восстановить равновесие, быстро уменьшая напряжение катод-анод.

С помощью блок-схемы изображенной на Рисунке 3, мы объясним, каким образом возникают устойчивые колебания при нарушении равновесия TL431. Конденсатор заряжается небольшим, почти постоянным током, частично отбираемым от тока источника питания I1. На Рисунке 3 зарядный ток обозначен как I3. Когда напряжение конденсатора проходит точку равновесия VREF, ток I2, состоящий из суммы коллекторных токов Q7 и Q8 (Рисунок 2), быстро и эффективно уносит заряд, накопленный в конденсаторе. Длительность импульса I2 невелика, но достаточна для того, чтобы сбросить напряжение на конденсаторе ниже точки равновесия. Затем конденсатор вновь начинает заряжаться, забирая ток от I1, цикл заряда-разряда повторяется, и, таким образом, начинаются устойчивые колебания. Разряд конденсатора происходит очень быстро, поэтому ток во время разряда намного превышает ток I1 источника питания, подчиняясь соотношению I = ΔQ/Δt, где ΔQ – накопленный заряд конденсатора.

Вам понравится:  Повер банк для розеток

Оценка времени заряда и разряда

Если токи заряда и разряда известны, можно найти приближенное выражение для величин зарядов, получаемых конденсатором, и отдаваемых им в выходные каскады TL431. При установившихся колебаниях эти заряды будут равны.

Из Рисунка 3 видно, что

Величина тока IBIAS микросхемы TL431 равна примерно 260 мкА и практически не меняется в широком диапазоне управляющих напряжений VCTRL.

На основании сказанного можно составить следующее дифференциальное уравнение:

Здесь RS – сопротивление, включенное последовательно с источником управляющего напряжения. Решая дифференциальное уравнение на интервале между нижним (Vc L ) и верхним ( Vc H ) порогами напряжения VC при установившихся колебаниях, можно найти время заряда:

Оценить время разряда несколько сложнее, поскольку он происходит через динамически изменяющееся сопротивление. Эффективное сопротивление, через которое уходит приобретенный заряд, можно приблизительно рассчитать следующим образом. Моделирование и эксперименты показывают, что в режиме устойчивых колебаний VKA не опускается ниже 1.60 В и не поднимается выше 2.74 В. На Рисунке 4 показана взятая из справочных данных вольтамперная характеристика TL431.

Рисунок 4. Характер изменения динамического сопротивления TL431B. (Взято из [1]).

Эта зависимость напоминает прямую ветвь диодной характеристики, поэтому ее можно аппроксимировать следующей функцией:

В отличие от обычного диода с p-n переходом, ток TL431 слабо зависит от температуры, поскольку в микросхеме используется опорный источник с напряжением, определяемым шириной запрещенной энергетической зоны. Можно показать, что динамическое сопротивление равно

Линейная аппроксимация взятых из справочных данных характеристик дает R0 ≈ 135.9 кОм, α ≈ 2.304 В/кОм. Таким образом, в области существования колебаний сопротивление меняется от 1.7 кОм до 246 Ом. В контексте разряда конденсатора это означает, что с увеличением управляющего напряжения скорость разряда увеличивается, так как сопротивление эффективного пути протекания разрядного тока мало. Значит, можно ожидать, что при увеличении управляющего напряжения время разряда уменьшится, т.е., частота увеличится. Фактически это и наблюдалось в реальном генераторе. Моделирование показывает, что ток, забираемый из конденсатора при разряде, весьма велик, поэтому время разряда обычно очень мало и может не приниматься во внимание.

Выходной сигнал генератора берется непосредственно с конденсатора, поэтому для исключения влияния нагрузки необходима внешняя буферизация. SPICE модели микросхемы TL431 можно найти в различных источниках, например, на сайтах Texas Instruments и LTspice Wiki. В симуляторе использовались различные модели, и все они генерировали одинаково (Рисунок 5). Практические эксперименты выполнялись с микросхемами TL431A и TL431B, KA431 и LM431. И хотя во всех случаях возникали колебания, входные напряжения, необходимые для возбуждения схемы, а также диапазон частот генерации для каждой микросхемы были различны. Кроме того, опорные напряжения этих устройств имели разброс от 2.43 В до +2.53 В.

Рисунок 5. Выходные сигналы SPICE модели ГУН на микросхеме TL431.

Наблюдения показали, что амплитуда выходных колебаний генератора в точке, обозначенной на Рисунке 1 как OSC, возрастает с увеличением управляющего напряжения V1. Частота в диапазоне практически используемых токов также находилась приблизительно в прямой зависимости от входного управляющего напряжения, однако при определенных токах картина менялась, и рост напряжения сопровождался уменьшением частоты. В Таблице 1 приведены результаты измерений в области прямой линейной зависимости частоты от напряжения для двух различных микросхем.

Источник

Оцените статью
Частотные преобразователи
Adblock
detector