Схемы простых генераторов низкой частоты

Генераторы низкой частоты (ГНЧ) используют для получения незатухающих периодических колебаний электрического тока в диапазоне частот от долей Гц до десятков кГц. Такие генераторы, как правило, представляют собой усилители, охваченные положительной обратной связью (рис. 11.7,11.8) через фазосдви-гающие цепочки. Для осуществления этой связи и для возбуждения генератора необходимы следующие условия: сигнал с выхода усилителя должен поступать на вход со сдвигом по фазе 360 градусов (или кратном ему, т.е. О, 720, 1080 и т.д. градусов), а сам усилитель должен иметь некоторый запас коэффициента усиления, KycMIN. Поскольку условие оптимального сдвига фаз для возникновения генерации может выполняться только на одной частоте, именно на этой частоте и возбуждается усилитель с положительной обратной связью.

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Для сдвига сигнала по фазе используют RC- и LC-цепи, кроме того, сам усилитель вносит в сигнал фазовый сдвиг. Для получения положительной обратной связи в генераторах (рис. 11.1, 11.7, 11.9) использован двойной Т-образный RC-мост; в генераторах (рис. 11.2, 11.8, 11.10) — мост Вина; в генераторах (рис. 11.3 — 11.6, 11.11 — 11.15) — фазосдвигающие RC-це-почки. В генераторах с RC-цепочками число звеньев может быть достаточно большим. На практике же для упрощения схемы число не превышает двух, трех.

Рис. 11.3

Рис. 11.4

Рис. 11.5

Рис. 11.6

Расчетные формулы и соотношения для определения основных характеристик RC-генераторов сигналов синусоидальной формы приведены в таблице 11.1. Для простоты расчета и упрощения подбора деталей использованы элементы с одинаковыми номиналами. Для вычисления частоты генерации (в Гц) в формулы подставляют значения сопротивлений, выраженные в Омах, емкостей — в Фарадах. Для примера, определим частоту генерации RC-генератора с использованием трехзвенной RC-це-пи положительной обратной связи (рис. 11.5). При R=8,2 кОм; С=5100 пФ (5,1х1СГ9 Ф) рабочая частота генератора будет равна 9326 Гц.

Таблица 11.1

Для того чтобы соотношение резистивно-емкостных элементов генераторов соответствовало расчетным значениям, крайне желательно, чтобы входные и выходные цепи усилителя, охваченного петлей положительной обратной связи, не шунтировали эти элементы, не влияли на их величину. В этой связи для построения генераторных схем целесообразно использовать каскады усиления, имеющие высокое входное и низкое выходное сопротивления.

На рис. 11.7, 11.9 приведены «теоретическая» и несложная практическая схемы генераторов с использованием двойного Т-моста в цепи положительной обратной связи.

Генераторы с мостом Вина показаны на рис. 11.8, 11.10 [Р 1/88-34]. В качестве УНЧ использован двухкаскадный усилитель. Амплитуду выходного сигнала можно регулировать потенциометром R6. Если требуется создать генератор с мостом Вина, перестраиваемый по частоте, последовательно с резисторами R1, R2 (рис. 11.2, 11.8) включают сдвоенный потенциометр. Частотой такого генератора можно также управлять, заменив конденсаторы С1 и С2 (рис. 11.2, 11.8) на сдвоенный конденсатор переменной емкости. Поскольку максимальная емкость такого конденсатора редко превышает 500 пФ, удается перестраивать частоту генерации только в области достаточно высоких частот (десятки, сотни кГц). Стабильность частоты генерации в этом диапазоне невысока.

Рис. 11.7

Рис. 11.8

На практике для изменения частоты генерации подобных устройств часто используют переключаемые наборы конденсаторов или резисторов, а во входных цепях применяют полевые транзисторы. Во всех приводимых схемах отсутствуют элементы стабилизации выходного напряжения (для упрощения), хотя для генераторов, работающих на одной частоте или в узком диапазоне ее перестройки, их использование не обязательно.

Схемы генераторов синусоидальных сигналов с использованием трехзвенных фазосдвигающих RC-цепочек (рис. 11.3)

Рис. 11.9

Рис. 11.10

показаны на рис. 11.11, 11.12. Генератор (рис. 11.11) работает на частоте 400 Гц [Р 4/80-43]. Каждый из элементов трехзвен-ной фазосдвигающей RC-цепочки вносит фазовый сдвиг на 60 градусов, при четырехзвенной — 45 градусов. Однокаскадный усилитель (рис. 11.12), выполненный по схеме с общим эмиттером, вносит необходимый для возникновения генерации фазовый сдвиг на 180 градусов. Заметим, что генератор по схеме на рис. 11.12 работоспособен при использовании транзистора с высоким коэффициентом передачи по току (обычно свыше 45...60). При значительном снижении напряжения питания и неоптимальном выборе элементов для задания режима транзистора по постоянному току генерация сорвется.

Рис. 11.11

Рис. 11.12

Рис. 11.13

Звуковые генераторы (рис. 11.13 — 11.15) близки по построению к генераторам с фазосдвигающими RC-цепочками [Рл 10/96-27]. Однако за счет использования индуктивности (телефонный капсюль ТК-67 или ТМ-2В) вместо одного из ре-зистивных элементов фазосдвигающей цепочки, они работают с меньшим числом элементов и в большем диапазоне изменения напряжения питания.

Рис. 11.14

Рис. 11.15

Так, звуковой генератор (рис. 11.13) работоспособен при изменении напряжения питания в пределах 1...15 В (потребляемый ток 2...60 мА). При этом частота генерации изменяется от 1 кГц (ипит=1,5 В) до 1,3 кГц при 15 В.

Звуковой индикатор с внешним управлением (рис. 11.14) также работает при 1)пит=1...15 В; включение/выключение генератора производится подачей на его вход логических уровней единицы/нуля, которые также должны быть в пределах 1...15 В.

Звуковой генератор может быть выполнен и по другой схеме (рис. 11.15). Частота его генерации меняется от 740 Гц (ток потребления 1,2 мА, напряжение питания 1,5 В) до 3,3 кГц (6,2 мА и 15 В). Более стабильна частота генерации при изменении напряжения питания в пределах 3...11 В — она составляет 1,7 кГц± 1%. Фактически этот генератор выполнен уже не на RC-, а на LC-эле-ментах, причем, в качестве индуктивности используется обмотка телефонного капсюля.

Низкочастотный генератор синусоидальных колебаний (рис. 11.16) собран по характерной для LC-генераторов схеме «емкостной трехточки». Отличие заключается в том, что в качестве индуктивности использована катушка телефонного капсюля, а резонансная частота находится в диапазоне звуковых колебаний за счет подбора емкостных элементов схемы.

Рис. 11.16

Рис. 11.17

Другой низкочастотный LC-генератор, выполненный по каскодной схеме, показан на рис. 11.17 [Р 1/88-51]. В качестве индуктивности можно воспользоваться универсальной или стирающей головками от магнитофонов, обмотками дросселей или трансформаторов.

RC-генератор (рис. 11.18) реализован на полевых транзисторах [Рл 10/96-27]. Подобная схема используется обычно при построении высокостабильных LC-генераторов. Генерация возникает уже при напряжении питания, превышающем 1 В. При изменении напряжения с 2 до 10 6 частота генерации понижается с 1,1 кГц до 660 Гц, а потребляемый ток увеличивается, соответственно, с 4 до 11 мА. Импульсы частотой от единиц Гц до 70 кГц и выше могут быть получены изменением емкости конденсатора С1 (от 150 пФ до 10 мкФ) и сопротивления резистора R2.

Рис. 11.18

Представленные выше звуковые генераторы могут быть использованы в качестве экономичных индикаторов состояния (включено/выключено) узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности, светоизлучающих диодов, для замены или дублирования световой индикации, для аварийной и тревожной индикации и т.д.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год