Разновидности генераторов сигналов

Формирователи синусоидальных сигналов обычно выполняются по схемам нелинейных функциональных преобразователей, например, на основе аналоговых пере множителей. Если частота работы генератора постоянна, то в качестве формирователя может быть использован фильтр нижних частот, настроенный на пропускание только первой гармоники треугольно сигнала.

В качестве конкретного примера рассмотрим вариант реализации функционального генератора, используемого в аппарате для рефлексотерапии типа «Эллада-7» (рис. 5.2). В э схеме цепочка триггер Шмидта - генератор треугольных импульсов, называемый генератором-формирователем (ГФ), собран на основе классической схемы генератора линейно изменяющегося напряжения с двумя основными цепями обратной связи. При этом на операционном усилителе А1 собран интегратор, а на А2 - генератор прямоугольных импульсов с положительной обратной связью через резистор R4. Операционные усилители А1и А2 генератора-формирователя охвачены общей отрицательной обратной связью через сопротивление R1. Для формирования «почти» синусоидальных сигналов в схему ГФ включен нелинейный преобразователь, выполненный на транзисторе VT. Период следования сигнала определяется величиной емкостей (С1...С11), включаемых в цепь обратной связи А1 переключателем S. Скважность вырабатываемых импульсов регулируется сопротивлением R2.

Рисунок 5.3 - Структурная электрическая схема функционального генератора прибора «Эллада-7»

Ряд фирм производит функциональные генераторы в интегральном исполнении, например, микросхему МАХ038, которая генерирует синусоидальный сигнал, треугольные и прямоугольные импульсы с частотой, изменяющейся в диапазоне 1…20 МГц. Синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75%.

6. Модуляторы

Операция изменения параметров несущих (модулируемых) более высокочастотных сигналов (гармонических или негармонических, включая импульсные) более низкочастотными управляющими (модулирующими) сигналами называется модуляцией и реализуется специальными устройствами - модуляторами.

Различают модуляцию по амплитуде, частоте и фазе. Иногда отдельно рассматривается импульсная модуляция с ее разновидностями, например, широтно-импульсная модуляция и др.

При амплитудной модуляции (рис. 6.1) под воздействие управляющего напряжения U_ynp изменяется амплитуда несущего сигнала U_H.

Рисунок 6.1 - Примеры временных диаграмм амплитудной модуляции: а - гармонического сигнала; 6- прямоугольных импульсов

Амплитудная модуляция гармонического сигнала формирует «огибающую» высокочастотного сигнала по закону, определяемому формой управляющего сигнала.

Амплитудная модуляция прямоугольных импульсов чаще всего организуется путем прерывания высокочастотных импульсов при отсутствии управляющего сигнала.

При модуляции по частоте (частотной модуляции) управляющий сигнал меняет частоту следования модулируемых колебаний (рис. 6.2).

Рисунок 6.2 - Пример временных диаграмм частотной модуляции

При модуляции по фазе (фазовая модуляция) управляющее напряжение управляет сдвигом фазы ?? на выходе модулятора (рис. 6.2).

Рисунок 6.3 - Пример временных диаграмм фазовой модуляции

В варианте, представленном на рис. 6.2, сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному сигналу увеличивается по мере роста управляющего напряжения.

Рассмотрим типовые технические решения, применяемые при реализации различных типов модуляторов.

Схема простейшего модулятора на полевом транзисторе на вход которого подается постоянное смещение Е₀, приведена на рис. 6.3.

Модулируемое напряжение U _Н частотой ? и управляющее напряжение U_ynp частотой ? подаются на вход транзистора через высокочастотный Т1 и низкочастотный Т2 трансформаторы. На элементах С1 и L собран резонансный фильтр, выделяющийся из всего множества спектральных составляющих U_М только несущую и полезные боковые амплитудно-модулируемые колебания. Блокировочный конденсатор С2 имеет малое сопротивление для высокой частоты U_Н и большое сопротивление для U_упр.

Рисунок 6.4- Схема простейшего амплитудного модулятора

Одной из основных характеристик амплитудного модулятора является его модуляционная характеристика, определяющая зависимость модулированного напряжения от мгновенного значения модулирующего напряжения U_М =?(U_упр), а так же глубина модуляции М(%), определяемая, как отношение разности между максимальной величиной модулируемого сигнала (U₂)к величине U_2, умноженное на 100% (см. рис. 6.3).

М = (U₁/ U₂)100% = [(U_max - U₂)/ U₂]100% = [(U_max - U_min )/( U_max + U_min )]100% (6.1)

где U_max и U_min - максимальное и минимальное значение моделируемого сигнала соответственно.

Широкое применение в медицинской практике амплитудные модуляторы нашли в электротерапевтической аппаратуре различного назначения. Вариант использования транзисторного модулятора в терапевтической части аппарата «Эллада-7» для рефлексотерапии показан на рис. 6.4.

Рисунок 6.5 - Структурная электрическая схема модулятора

Собственно модулятор выполнен на полевом транзисторе. Генератор несущих прямоугольных импульсов (импульсов повышения) выполнен на операционном усилителе А1 по схеме мультивибратора, аналогичной схеме. Частота заполнения дискретно выбирается переключателем S1. Плавная регулировка частоты заполнения регулируется резистором R7, а емкость - резистором R9. Функциональный генератор (см.рис. 6.4) формирует управляющие прямоугольные, синусоидальные и треугольные сигналы в зависимости от выбираемого имя. На транзисторе VT2 выполнен эмиттерный повторитель амплитуда выходного сигнала которого регулируется регулятором R5.

Собственно модулятор работает как ключевая схема транзистором, который, открываясь со стороны затвора, пропускает в цепь резистора R1 ток, форма которого определяется функциональным генератором.

Схема модулятора, используемого в терапевтическом приборе «Амплипульс-5», приведена на рис. 6.5. Этот модулятор собран по схеме двойной коллекторной модуляции с постоянным возбуждением и состоит из двух каскадов: на транзисторе VT1 собран усилитель низкой частоты, а на транзисторе VT2 собственно модулятор.

Рисунок 6.6 - Структурная электрическая схема модулятора

На базу транзистора усилителя низкой частоты через корректирующую цепь, состоящую из резистора R1 и конденсате С1, поступает напряжение с генератора низкой частоты (вход I). Коллекторной нагрузкой транзистора VT1 является резистор R. Этот резистор включен последовательно в коллекторную цепь транзистора VT2 модулятора, на базу которого (вход 2) подает сигнал с генератора высокой частоты. Вследствие присоединения коллекторной цепи транзистора VT2 к генератору низкой частоты питание модулятора осуществляется напряжением По закону низкой частоты. В колебательном контуре модулятор состоящем из катушки индуктивности L, и конденсатора С возникают синусоидально-модулированные колебания.

Для обеспечения режима пере модуляции, который определяется надежным запиранием транзистора VT2, питание цепи эмиттера и базы транзистора VT1 осуществляется напряжением +10 В. Остальные цепи модулятора питаются напряжением 24 В.

Для улучшения формы кривой модулированного сигнала в режиме пере модуляции служат диоды VD 1 и VD2. Диод VD1 обеспечивает полное запирание транзистора во время отсечки (паузы) при положительном напряжении на коллекторе транзистора VT2. Диод VD2 шунтирует в это время контур, предотвращая возникновение в нем паразитных колебаний.

За счет цепочки смещения, состоящей из резистора R8 и конденсатора С5, на эмиттере транзистора VT2 в такт с модулирующим сигналом автоматически изменяется напряжение смешения. Это приводит к углублению основной модуляции.

В приборах для электронейростимуляции типа «Элиман» используют прямоугольные импульсы несущей и управляющей частоты.

В этой схеме RS-триггер реализует схему включения модулятора. При подаче сигнала «Стоп» триггер устанавливается в состояние, закрывая схему «И». При подаче сигнала I К с к» триггер устанавливается в единичное состояние, формирование разрешающий потенциал по одному из входов схемы «И». генератор модулятор фазочувствительный детектор

Генератор тактовых импульсов вырабатывает импульсы несущей частоты, регулируемой по входу «Частота». Делитель частоты (ДЧ) с перестраиваемым коэффициентом деления формирует управляющий сигнал, открывающий на заданное время схему «И», на выход которой будут поступать импульсы с ГТИ, прекращающиеся на время существования «нулевого» потенциала с выхода ДЧ.

Простейшие частотные модуляторы создаются на базе схем автогенераторов с перестраиваемой частотой (рис. 6.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.7 - Структурная электрическая схема частотного модулятора на автогенераторе

В этой схеме колебательный контур генератора выполнен на элементах L, С1, которые через разделительный конденсатор С2 включены параллельно с варикапом VD 1, который запирается разностью напряжений (U_K-U_ynp). Изменение управляющего напряжения приводит к изменению емкости варикапа, что, свою очередь, изменяет резонансную частоту колебательного контура и, следовательно, генерирующую частоту. Такой модулятор может работать на частотах до нескольких гигагерц, его частота зависит как от амплитуды сигнала, так и от наличия гармоник.

Импульсная частотная модуляция реализуется преобразователями «напряжение - частота» (ПНЧ). Это типы преобразователей широко используют при построении аналогово-цифровых преобразователей, схемотехника построения которых будет рассмотрена ниже.

При построении фазовых модуляторов в качестве основных элементов могут применяться усилители, резонансная частота которых изменяется, например, при использовании варикапов, причем, один такой модулирующий каскад хорошо работает в пределах ±?/4. Для получения больших индексов модуляции включают последовательно несколько таких каскадов.

В диапазоне сверхвысоких частот изменение сдвига фаз осуществляют изменением длины проводов, через которые проходят модулируемые колебания.

При работе с импульсными сигналами широкое распространение получила так называемая широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая состоит в изменении широты (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой.

В этой схеме линейно изменяющееся напряжение с ГЛИН сравнивается компаратором КН с управляющим пороговым напряжением (U_ynp), которое управляет шириной выходного импульса. При этом чем ближе пороговое напряжение к основанию сигнала с ГЛИН, тем больше длительность выходных импульсов U_M.

В качестве ГЛИН используются генераторы пилообразного (рис. 6.6) и треугольного напряжений.

При использовании генератора пилообразного напряжения модуляция осуществляется изменением положения только одного фронта импульса, что называется односторонней ШИМ.

7. Фазочувствительные детекторы

Электронные устройства, которые на своем выходе вырабатывают сигналы, среднее значение которых пропорционально сдвигу фаз между опорным (чаще всего прямоугольным) и исследуемым сигналом, называют фазочувствительными детекторами. Этот класс детекторов называют так же фазочувствительными демодуляторами или синхронными детекторами. Такие схемы используются: в реографии; для подавления помех, вызываемых паразитными емкостями; для выпрямления сигналов, получаемых с линейных дифференциальных трансформаторов и т.д.

Принцип работы фазочувствительного детектора может быть проиллюстрирован с помощью схемы с управляемым ключом. Здесь принята следующая логика управления при положительном импульсе U _упр ключ S находится в верхнем положении; при отсутствии импульса U_ynp - в нижнем.

Тогда, если управляющий (U_ynp) и входной (U_вх1) сигналы совпадают по фазе, то положительная полуволна входного сигнала поступает на выход (U_вых1) без изменения. Нетрудно убедиться, что при нулевом сдвиге фаз среднее выходное напряжение на выходе схемы будет положительным и максимальным (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 - Схема простейшего фазочувствительного детектора и временные диаграммы его работы.

При сдвиге фаз U_вх относительно U_ynp среднее напряжение, начинает уменьшаться, и при сдвиге на 90° станет равны, что демонстрируют временные диаграммы U_Bx2 и U_вых2 на рис. 3.25,б. При сдвиге до 180° на выходе получается максимальное отрицательное среднее напряжение. Таким образом, среднее выходное напряжение в приведенной схеме пропорционально сдвигу фаз между U_упр и U_вх.

В практических схемах в качестве ключа часто использую аналоговые коммутаторы. Пример использования такого коммутатора в тетра полярном реографе показан на рис. 7.2.

Зондирование биообъекта (БО) переменным током высокой частоты, создаваемым генератором G , производится через токовые электроды ТЭ1 и ТЭ2. Пройдя через биообъект, ток, сдвинутый по фазе реактивными элементами биообъекта, снимается измерительными электродами ИЭ1 и ИЭ2, и через конденсаторы С1 и С2 и трансформатор Т поступает на входы симметричных усилителей инверторов А1 иА2.

Рисунок 7.2. - Структурная схема аналогового коммутатора и временные диаграммы его работы

Усилители А1 и А2 служат для повышения входного сопротивления усилительного канала, которое ограничивается сопротивлением обмотки трансформатора и частотой работы и генератора зондирующего тока. На выходе ОУ формируется модулированный внутренними структурами организма высокочастотный сигнал. Временные диаграммы напряжений на выходе одного из них (А1) при различных сдвигах фаз и напряжения, снимаемого с измерительных элементов.

Фазочувствительный демодулятор (синхронный детектор) выполнен на аналоговых коммутаторах АК1 и АК2, управляемых прямым U_ф и инверсивным ?_фсигналами формирователя импульсов (ФИ) зондирующего тока.

Если фаза сигнала с выхода операционных усилителей совпадает с фазой зондирующего тока, что соответствует отсутствию решающей составляющей в измеряемом сопротивлении биообъекта, аналоговые коммутаторы пропускают на свой выход полуволны исходного сигнала без искажений (полностью) При наличии реактивной составляющей в измеряемом сопротивлении между сигналами U_G и U_А1 появляется сдвиг фаз, и аналоговые коммутаторы начинают «срезать» часть своего входного сигнала. Причем чем больше реактивная составляющая, тем меньшая часть входных сигналов пропускается на выход. Это приводит к тому, что амплитуда выходного сигнала по- 1 к детектора и фильтра низких частот (Дт и ФНЧ) будет зависеть не только от амплитуды сигнала, снимаемого с биообъекта, но и от сдвига фаз между зондирующим и регистрируемым напряжением, что соответствует логике работы реографа.

Современная электронная промышленность выпускает большое число элементов, которые могут быть использованы для построения схем генераторов для различных типов электронных устройств, включая медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы.

Ряд фирм выпускают узкоспециализированные генераторы, предназначенные для решения конкретных задач, включая медицинские. Известны и универсальные многофункциональные генераторы, выполняемые в одной микросхеме. Например, микросхема МАХ038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот 0,1 Гц...20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75 % [3, с. 137].

Размещено на Allbest.ru