fon2

Простой генератор прямоугольных импульсов

При налаживании радиолюбительских конструкций бывает очень полезен источник испытательного сигнала. Им можно проверить телефоны или громкоговоритель, найти неисправный каскад, оценить вносимые искажения.
Такое средство есть - это генератор сигналов звуковой частоты.
Однако создание звукового генератора, вырабатывающего синусоидальный сигнал, дело непростое и довольно кропотливое, особенно в части налаживания. Дело в том, что любой генератор содержит, по крайней мере, два элемента: усилитель и частотнозависимую цепь, определяющую частоту колебаний.
Обычно она включается между выходом и входом усилителя, создавая положительную обратную связь (ПОС). В случае ВЧ-генератора все просто - достаточно усилителя на одном транзисторе и колебательного контура, определяющего частоту.
Для диапазона звуковых частот наматывать катушку сложно, да и добротность ее получается низкой. Поэтому для диапазона звуковых частот используют RC-элементы - резисторы и конденсаторы. Они довольно плохо фильтруют основную гармонику колебаний, и потому синусоидальный сигнал оказывается искаженным, например, ограниченным по пикам.
Для устранения искажений применяют цепи стабилизации амплитуды, поддерживающие низкий уровень генерируемого сигнала, когда искажения еще незаметны. Именно создание хорошей стабилизирующей цепи, не искажающей синусоидальный сигнал, и вызывает основные трудности.

Эти проблемы отсутствуют в релаксационных RC-генераторах, где усилительные транзисторы работают в ключевом режиме - они либо открыты, либо закрыты. Амплитуда генерируемого сигнала в таких генераторах очень стабильна и близка к напряжению питания. Но форма колебаний весьма далека от синусоидальной - сигнал получается импульсным, причем длительность импульсов и пауз между ними легко регулируется. Импульсам легко придать вид меандра, когда длительность импульса равна длительности паузы между ними.

Основной и широко распространенный вид релаксационного генератора - симметричный мультивибратор на двух транзисторах, схема которого показана на рисунке 1.

generator pryam impul1

В нем два стандартных усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2 соединены в последовательную цепочку, то есть выход одного каскада соединен со входом другого через разделительные конденсаторы С1 и С2. Они же определяют и частоту генерируемых колебаний F, точнее, их период Т. Напомню, что период и частота связаны простым соотношением F = 1/T. Если схема симметрична и номиналы деталей в обоих каскадах одинаковы, то и выходное напряжение имеет форму меандра.
Работает генератор так: сразу после включения, пока конденсаторы С1 и С2 не заряжены, транзисторы оказываются в "линейном" усилительном режиме, когда резисторами R1 и R2 задается некоторый малый ток базы, он определяет в Вст раз больший ток коллектора, и напряжение на коллекторах несколько меньше напряжения источника питания за счет падения напряжения на резисторах нагрузки R3 и R4.
При этом малейшие изменения коллекторного напряжения (хотя бы из-за тепловых флуктуации) одного транзистора передаются через конденсаторы С1 и С2 в цепь базы другого.
Предположим, что коллекторное напряжение VT1 чуть-чуть понизилось. Это изменение передается через конденсатор С2 в цепь базы VT2 и немного его запирает. Коллекторное напряжение VT2 возрастает, и это изменение передается конденсатором С1 на базу VT1, он отпирается, его коллекторный ток возрастает, а коллекторное напряжение понижается еще больше. Процесс происходит лавинообразно и очень быстро.
В результате транзистор VT1 оказывается полностью открыт, его коллекторное напряжение будет не более 0.05…0.1 В, a VT2 - полностью заперт, и его коллекторное напряжение равно напряжению питания. Теперь надо ждать, пока перезарядятся конденсаторы С1 и С2 и транзистор VT2 приоткроется током, текущим через резистор смещения R2. Лавинообразный процесс пойдет в обратном направлении и приведет к полному открыванию транзистора VT2 и полному запиранию VT1. Теперь нужно ждать еще полпериода, нужные для перезарядки конденсаторов.
Время перезарядки определяется напряжением питания, током через резисторы R1, R2 и емкостью конденсаторов C1, С2.
При этом говорят о "постоянной времени" цепочек R1, С1 и R2, С2, примерно соответствующей периоду колебаний.
Действительно, произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах дает время в секундах. Для номиналов, указанных на схеме рисунка 1 (360 кОм и 4700 пФ), постоянная времени получается около 1,7 миллисекунды, что говорит о том, что частота мультивибратора будет лежать в звуковом диапазоне порядка сотен герц. Частота повышается при увеличении напряжения питания и уменьшении номиналов R1, С1 и R2, С2.
Описанный генератор весьмн неприхотлив: в нем можно использовать практически любые транзисторы и изменять номиналы элементов в широких пределах. К его выходам можно подключать высокоомные телефоны, чтобы услышать звуковые колебания, или даже громкоговоритель - динамическую головку с понижающим трансформатором, например абонентский трансляционный громкоговоритель. Так можно организовать, например, звуковой генератор для изучения азбуки Морзе. Телеграфный ключ ставят в цепи питания, последовательно с батареей.

Поскольку два противофазных выхода мультивибратора в радиолюбительской практике нужны редко, автор задался целью сконструировать более простой и экономичный генератор, содержащий меньше элементов.
То, что получилось, показано на рисунке 2.

generator pryam impul2

Здесь использованы два транзистора с разными типами проводимости - n-p-n и р-n-р. Открываются они одновременно, коллекторный ток первого транзистора служит током базы второго.
Вместе транзисторы образуют также двухкаскадный усилитель, охваченный ПОС через цепочку R2,C1.
Когда транзисторы запираются, напряжение на коллекторе VT2 (выход 1 В) падает до нуля, это падение передается через цепочку ПОС на базу VT1 и полностью его запирает. Когда конденсатор С1 зарядится до примерно 0,5 В на левой обкладке, транзистор VT1 приоткроется, через него потечет ток, вызывая еще больший ток транзистора VT2; напряжение на выходе начнет расти. Это возрастание передается на базу VT1, вызывая еще большее его открывание.
Происходит вышеописанный лавинообразный процесс, полностью отпирающий оба транзистора. Через некоторое время, нужное для перезарядки С1, транзистор VT1 призакроется, поскольку ток через резистор большого номинала R1 недостаточен для его полного открывания, и лавинообразный процесс разовьется в обратном направлении.
Скважность генерируемых импульсов, то есть соотношение длительностей импульса и паузы, регулируется подбором резисторов R1 и R2, а частота колебаний - подбором емкости С1.
Устойчивой генерации при выбранном напряжении питания добиваются подбором резистора R5. Им же в некоторых пределах можно регулировать выходное напряжение. Так, например, при указанных на схеме номиналах и напряжении питания 2,5 В (два дисковых щелочных аккумулятора) частота генерации составила 1 кГц, а выходное напряжение - ровно 1 В. Потребляемый от батареи ток получился около 0,2 мА, что говорит об очень высокой экономичности генератора.
Нагрузка генератора R3, R4 выполнена в виде делителя на 10, чтобы можно было снимать и меньшее напряжение сигнала, в данном случае 0,1 В. Еще меньшее напряжение (регулируемое) снимается с движка переменного резистора R4.
Эта регулировка может оказаться полезной, если нужно определить или сравнить чувствительность телефонов, проверить высокочувствительный УНЧ, подав малый сигнал на его вход, и так далее. Если же таких задач не ставится, резистор R4 можно заменить постоянным или сделать еще одно звено делителя (0,01 В), добавив снизу еще резистор номиналом 27 Ом.

Сигнал прямоугольной формы с крутыми фронтами содержит широкий спектр частот - кроме основной частоты F, еще и ее нечетные гармоники 3F, 5F, 7F и так далее, вплоть до радиочастотного диапазона. Поэтому генератором можно проверять не только звуковую аппаратуру, но и радиоприемники. Конечно, амплитуда гармоник убывает с ростом их частоты, но достаточно чувствительный приемник позволяет прослушивать их во всем диапазоне длинных и средних волн.

В. Поляков, профессор. ЮТ №11 2012г.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet