Generatory - Wstęp

Generatory są to układy elektroniczne wytwarzające sygnały elektryczne o wartości zmieniającej się w czasie. Generator przetwarza stałoprądową energię źródła zasilającego w energię zmiennego sygnału wyjściowego. Kształt sygnału wyjściowego generatora jest zależny od jego budowy. Może to być sygnał okresowy o przebiegu sinusoidalnym lub niesinusoidalnym: prostokątnym, trójkątnym lub liniowym - piłokształtnym.

W układach analogowych najszersze zastosowanie mają generatory przebiegów sinusoidalnych. Podstawowymi parametrami opisującymi właściwości tych generatorów są:

• częstotliwość generowanego sygnału i jej stałość (stabilność częstotliwości);

• amplituda generowanego sygnału i jej stałość (stabilność amplitudy);

• zniekształcenia generowanego przebiegu harmonicznego (zawartość harmonicznych w generowanym sygnale).

Generatory przebiegów prostokątnych, nazywane multiwibratorami, są stosowane w układach przełączających (impulsowych) i cyfrowych. Istotnymi dla wielu zastosowań parametrami sygnału prostokątnego są:

• częstotliwość powtarzania (lub okres) generowanych impulsów i jej stałość (dla sygnału okresowego);

• wartość i stałość amplitudy generowanych impulsów;

• nachylenie zboczy generowanych impulsów określone ich czasem narastania i opadania;

• czas trwania impulsów.

Przebiegi trójkątne otrzymuje się na ogół przez odpowiednie kształtowanie (w układzie całkującym) przebiegów prostokątnych, przebiegi liniowe, piłokształtne są natomiast wytwarzane w układach o odpowiedniej konstrukcji, w której wykorzystuje się proces ładowania i rozładowania kondensatora. Generatory takie są nazywane generatorami relaksacyjnymi.

Określenie "generator" dotyczy więc dużej grupy układów różniących się budową, przeznaczeniem i parametrami generowanych sygnałów. Pod względem budowy i zasady działania rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje generatorów:

• generatory, w których jest wykorzystywane zjawisko niestabilności wzmacniacza objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego;

• generatory z elementami aktywnymi charakteryzującymi się ujemną rezystancją dynamiczną;

• generatory, w których jest wykorzystywane zjawisko cyklicznego ładowania i rozładowania kondensatora przez element kluczujący (np. tranzystor jednozłączowy), po osiągnięciu przez kondensator pewnych progowych wartości napięcia.

Przedstawiony powyżej schemat jest ogólnym schematem blokowym generatora z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Układ generatora zawiera wzmacniacz o wzmocnieniu A_O, obwód ustalający częstotliwość drgań oraz pętlę sprzężenia zwrotnego, przez którą część sygnału wyjściowego wzmacniacza jest podawana zwrotnie na jego wejście tak, że przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym a wyjściowym wzmacniacza jest równe 0° (360°). W takim układzie sprzężenie zwrotne jest dodatnie i wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym, wynoszącym:

dąży do nieskończoności, gdy
A_O => 1. Wzmacniacz staje się układem niestabilnym i generuje sygnał sinusoidalny o częstotliwości, dla której są spełnione jednocześnie dwa warunki, tzn.:

• warunek fazy, czyli zgodności fazy sygnałów na wejściu i wyjściu wzmacniacza;

• warunek amplitudy, czyli takiej wartości współczynnika
  ,
  że
  U_O = U_O/A_O (oznacza to, że wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego
  A_O = 1).

Warunek fazy może być spełniony dla określonej częstotliwości, jeżeli wzmacniacz przesuwa fazę o 0° (360°), a pętla sprzężenia zwrotnego nie wnosi dla tej częstotliwości przesunięcia fazowego lub wówczas, gdy wzmacniacz przesuwa fazę o 180° (np. jednostopniowy wzmacniacz w konfiguracji WE), a przesunięcie fazy o dalsze 180° następuje dla określonej częstotliwości w obwodzie sprzężenia zwrotnego. W celu zapewnienia przy określonej częstotliwości odpowiedniego przesunięcia fazowego (0° lub 180°), w pętli sprzężeń zwrotnego stosuje się obwody rezonansowe LC, przesuwniki fazy lub filtry RC oraz rezonatory kwarcowe.

W generatorach z ujemną rezystancją dynamiczną są wykorzystywane drgania własne obwodu rezonansowego LC, którego rezystancja strat (rezystancja szeregowa indukcyjności i rezystancja obciążenia) jest kompensowana rezystancją ujemną elementu aktywnego (np. diody tunelowej). Schemat zastępczy generatora z ujemną rezystancją przedstawiono na poniższym rysunku:

Gdy wartość rezystancji ujemnej R_n, spełnia warunek R_n = -L/(RC), wówczas w odtłumionym (bezstratnym) układzie rezonansowym powstają niegasnące drgania o pulsacji:

Generatory takie są stosowane głównie w zakresie wielkich częstotliwości.

Na rysunku poniżej wyjaśniono działanie generatora, w którym do wytworzenia drgań jest wykorzystane zjawisko ładowania i rozładowania kondensatora.

Gdy element kluczujący KL jest rozwarty (ma dużą rezystancję), wówczas kondensator C jest ładowany przez rezystor R prądem ze źródła zasilania U_ZZ. Napięcie na kondensatorze narasta wykładniczo ze stałą czasową RC, i gdy osiągnie wartość U_C2 element kluczujący KL zwiera się (przyjmuje bardzo małą rezystancję). Następuje wówczas raptowne rozładowanie kondensatora przez element KL. Napięcie na kondensatorze maleje ze stałą czasową zależną od rezystancji klucza KL (dużo mniejszą od RC) do wartości U_C1, przy której klucz KL rozwiera się. Następuje ponowne ładowanie kondensatora i proces ten powtarza się dopóty, dopóki jest włączone napięcie zasilające U_ZZ. Taka zasada generowania sygnału zmiennego jest wykorzystywana w generatorach przebiegów niesinusoidalnych, zwanych generatorami relaksacyjnymi. Jako elementy kluczujące są stosowane np. tranzystory jednozłączowe, diody tunelowe, tyrystory, a także tranzystory bipolarne w układach z dodatnim sprzężeniem zwrotnym.

Generatory relaksacyjne wytwarzają przebiegi niesinusoidalne, np. prostokątne, trójkątne, piłokształtne, a więc przebiegi okresowe o dużej zawartości harmonicznych częstotliwości podstawowej. Ich zasada działania jest oparta na zjawisku cyklicznego ładowania i rozładowania kondensatora, wspomaganym często silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Częstotliwość generowanych sygnałów jest określona stałymi czasowymi ładowania i rozładowania kondensatora.

Na rysunkach poniżej przedstawiono praktyczny układ generatora, w którym funkcję elementu kluczującego pełni tranzystor jednozłączowy.

Ładowany i rozładowywany jest kondensator C_E. Po włączeniu zasilania kondensator jest ładowany przez rezystor R_E. Napięcie na kondensatorze narasta wykładniczo ze stałą czasową R_EC_E. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość U_C2 równą wartości napięcia przełączania tranzystora (U_p), wówczas tranzystor wchodzi raptownie w stan przewodzenia i następuje szybkie rozładowanie kondensatora w obwodzie emiter-baza (E-B), przez małą rezystancję R_B. Po rozładowaniu kondensatora do napięcia U_C1, przy którym złącze E-B, uzyskuje polaryzację zaporową, tranzystor przechodzi w stan nieprzewodzenia i cykl ładowania powtarza się. Jeżeli R_EłR_B, to czas ładowania kondensatora jest dużo większy od czasu jego rozładowania. Na emiterze tranzystora uzyskuje się więc piłokształtny przebieg napięcia o okresie T zależnym głównie od czasu ładowania kondensatora.

Jeżeli przyjmiemy U_C1 w przybliżeniu równe 0 i U_p = 0,63 U_BB, to częstotliwość f przebiegu jest w przybliżeniu określona wzorem:

Ponieważ dla danego tranzystora jednozłączowego stosunek U_p/U_BB jest prawie stały (wynosi zwykle 0,5 do 0,7), zatem przez zmianę napięcia (U_BB jest zmieniana głównie amplituda generowanego sygnału.

Generatory - generatory LC

W drugiej części artykułu o generatorach zajmiemy się generatorami LC. Generatory sinusoidalne LC są zbudowane ze wzmacniacza odwracającego fazę objętego pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającego obwód rezonansowy LC, którego zadaniem jest przesunięcie fazy o dalsze 180° (czyli w sumie o 360°, a więc sprzężenie jest dodatnie) tylko dla wybranej częstotliwości, określonej parametrami tego obwodu. Spełnienie warunku fazy i amplitudy można osiągnąć przez odpowiedni podział reaktancji obwodu LC lub za pomocą sprzężenia transformatorowego. Ze względu na rozwiązanie umożliwiające spełnienie warunku fazy i amplitudy rozróżnia się następujące podstawowe układy generatorów LC:

Na rysunku powyżej przedstawione są schematy blokowe podstawowych układów generatorów LC. Na rysunku a jest schemat generatora z dzieloną indukcyjnością - układ Hartleya. Na rysunku b jest schemat generatora z dzieloną pojemnością - układ Colpittsa. Na rysunku c jest schemat generatora ze sprzężeniem transformatorowym - układ Meissnera - strojony w obwodzie wyjściowym, a na rysunku d - strojony w obwodzie wejściowym.

Generatory LC są stosowane do generowania przebiegów o częstości większej od kilkudziesięciu kiloherców. Przy mniejszych częstotliwości wymagana bowiem zbyt duża wartość indukcyjności L obwodu rezonansowego. Trudno wówczas uzyskać dużą dobroć obwodu, a wymiary cewek są zbyt duże.

Na poniższym rysunku jest pokazany generator Hartleya w konfiguracji WE.

Generator ten jest zbudowany z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L, C₁, w którym indukcyjność L jest podzielona na dwie części L₁ i L₂ (stąd jego nazwa - generator z dzieloną indukcyjnością), ze środkowym odczepem (wspólnym dla L₁ i L₂) dołączonym do masy. Obwód taki przy częstotliwości rezonansowej:

przesuwa w węźle A fazę napięcia wyjściowego wzmacniacza o 180°, zapewniając tym samym spełnienie warunku fazy, gdyż przesunięcie fazy w samym wzmacniaczu wynosi również 180°. Wartość sygnału sprzężenia zwrotnego pobieranego z indukcyjności L₁ zależy od współczynnika podziału indukcyjności L (stosunku L₁/L₂) i musi być dobrana tak, aby przy danym wzmocnieniu wzmacniacza był spełniony warunek amplitudy. Kondensator C₂ o dużej pojemności blokuje przepływ składowej stałej prądu kolektora przez obwód rezonansowy (stąd określenie układ z zasilaniem równoległym), natomiast sygnał sprzężenia zwrotnego do bazy tranzystora jest dostarczany przez C₃. Rezystory R₁, R₂ i R_E stanowią obwód polaryzacji ustalający punkt pracy tranzystora, przy czym kondensator C_E zwiera rezystor R_E dla przebiegów zmiennych. Dławik w.cz. przepuszcza składową stałą prądu, lecz blokuje przedostawanie się sygnału zmiennego z wyjścia generatora do obwodu zasilania (zwieranie sygnału przez obwód zasilania).

Na rysunku poniżej jest przedstawiony przykład innego generatora, w którym obwód rezonansowy LC₁ jest włączony bezpośrednio w obwód kolektora tranzystora T₁ pracującego w konfiguracji WB.

Układ taki jest nazywany układem z zasilaniem szeregowym, gdyż przez obwód rezonansowy przepływa również składowa stała prądu kolektora. W tym układzie sygnał sprzężenia zwrotnego, pobierany z części L₁ indukcyjności L i podawany przez kondensator C₂ na emiter tranzystora, nie jest przesunięty w fazie względem napięcia wyjściowego. Ponieważ wzmacniacz w konfiguracji WB również nie przesuwa fazy sprzężenie zwrotne jest dodatnie. Jeżeli jest spełniony równocześnie warunek amplitudy (odpowiedni podział indukcyjności L), to układ generuje na wyjściu sygnał sinusoidalny o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej obwodu LC₁. Kondensator C_B zwiera do masy bazę tranzystora T₁ dla sygnałów zmiennych. Pozostałe elementy układu pełnią identyczne funkcje jak w generatorze Hartleya w konfiguracji WE.

Przestrajanie generatorów Hartleya, czyli zmiana częstotliwości generowanego sygnału, może być realizowana przez zmianę indukcyjności L lub pojemności C₁ (ten sposób jest zwykle stosowany). Dla zapewnienia dużej stałości częstotliwości generowanego sygnału niezależnej od zmiany temperatury, napięcia zasilającego itp., należy stosować obwód rezonansowy o dużej dobroci Q.

Na poniższym schemacie^* przedstawiono popularną konfigurację generatora Hartleya, wykonaną z użyciem bipolarnego tranzystora n-p-n.

Obwód rezonansowy tego generatora jest przestrajany za pomocą kondensatora zmiennego. Sygnał wyjściowy otrzymywany jest w wyniku magnetycznego sprzężenia kilku zwojów drutu z cewką obwodu rezonansowego. Jest to pewien rodzaj transformatora obniżającego napięcie.

Na rysunku poniżej przedstawione są generatory Colpittsa. Na rysunku a jest przedstawiony generator Colpittsa z zasilaniem równoległym (konfiguracja WE), a na rysunku b - z zasilaniem szeregowym (konfiguracja WB).

Generatory te są bardzo podobne do układów generatorów Hartleya. Różnią się zastosowaniem dzielonej na dwie części pojemności (C₁, C₂) obwodu rezonansowego, zamiast dzielonej indukcyjności. Dlatego generatory w układzie Colpittsa są nazywane również generatorami z dzieloną pojemnością.

W układzie z rysunku a sygnał sprzężenia zwrotnego z kondensatora C₁ (węzeł A), przesunięty w fazie o 180° względem sygnału wyjściowego, jest przez kondensator C₄ podawany zwrotnie na bazę tranzystora pracującego w układzie wzmacniacza o konfiguracji WE. Natomiast w układzie z rysunku b sygnał sprzężenia zwrotnego (węzeł B), zgodny w fazie z sygnałem wyjściowym, jest podawany na emiter tranzystora pracującego w konfiguracji WB (kondensator C_B zwiera bazę do masy dla sygnałów zmiennych). W obydwu układach warunek fazy jest spełniony dla częstotliwości rezonansowej obwodu LC:

gdzie:

natomiast warunek amplitudy zależy od stosunku pojemności obwodu rezonansowego C₁/C₂. Rezystory R₁, R₂ i R_E są elementami obwodu polaryzacji stałoprądowej tranzystora, ustalającymi jego spoczynkowy punkt pracy. Częstotliwość generowanego przebiegu sinusoidalnego może być zmieniana przez zmianę wartości indukcyjności L lub jednoczesną zmianę pojemności C₁ i C₂, przy zachowaniu ich stałego stosunku.

Na poniższym schemacie^** przedstawiono popularną konfigurację generatora Colpittsa, z równoległym obwodem rezonansowym na wejściu wzmacniacza i z sygnałem dodatniego sprzężenia zwrotnego pobieranym z jego wyjścia.

Poziom zniekształceń generatora, według danych źródłowych, jest mniejszy niż - 60dB. Sygnał wyjściowy otrzymywany jest w wyniku magnetycznego sprzężenia kilku zwojów drutu z cewką obwodu rezonansowego. Jest to pewien rodzaj transformatora obniżającego napięcie.

Na poniższym rysunku przedstawione są generatory Meissnera strojone w kolektorze. Na rysunku a mamy generator z zasilaniem szeregowym, a na rysunku b - z zasilaniem równoległym.

W generatorze Meissnera dodatnie sprzężenia zwrotne, konieczne dla podtrzymania procesu generacji, uzyskuje się przez sprzężenie transformatorowe obwodu kolektora i bazy tranzystora pracującego w układzie selektywnego wzmacniacza rezonansowego LC. Kondensator C o zmiennej pojemności, umożliwiający przestrajanie obwodu rezonansowego ustalającego częstotliwość drgań, może być włączony w obwodzie kolektora (generator strojony na wyjściu). Aby był spełniony warunek fazy w przypadku tranzystora pracującego w konfiguracji WE, przesunięcie fazowe sygnału w pętli sprzężenia zwrotnego musi wynosić 180°. Takie przesunięcie uzyskuje się przez nawinięcie uzwojeń transformatora w przeciwnych kierunkach lub przez odwrócenie końcówek uzwojenia, np. pierwotnego względem wtórnego. Istnieje wiele wariantów układowych generatora Meissnera różniących się umieszczeniem i sposobem zasilania (szeregowe, równoległe) obwodu rezonansowego oraz konfiguracją pracy elementu czynnego. W obydwu układach przedstawionych powyżej tranzystor pracuje w konfiguracji WE. Rezystory R₁, R₂ i R_E ustalają jego spoczynkowy punkt pracy. Spełnienie warunku amplitudy zależy od stosunku indukcyjności L₂/L₁ transformatora sprzęgającego. Częstotliwość generowanego przebiegu jest bliska częstotliwości rezonansowej obwodu LC i może być zmieniana przez zmianę pojemności C.

Generatory - generatory kwarcowe

Trzecią część artykułu o generatorach poświęcimy na krótkie omówienie generatorów kwarcowych. Generator kwarcowy jest to generator, w którym do określenia i stabilizacji częstotliwości generowanego sygnału zastosowano rezonator kwarcowy. Może on być włączony w układzie jako równoległy lub szeregowy obwód rezonansowy. Częstotliwość rezonansu równoległego wynosi:

gdzie L i C to indukcyjność i pojemność obwodu zastępczego rezonatora, a C_O jest pojemnością obudowy.

Dla C_O >> C (w celu spełnienia tego warunku można dołączyć dużą pojemność równolegle do rezonatora) częstotliwość rezonansu równoległego staje się liczbowo bliska częstotliwości rezonansu szeregowego:

W układach generatorów rezonator kwarcowy może być włączony w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. W przedziale częstotliwości między rezonansem szeregowym a równoległym reaktancja rezonatora ma charakter indukcyjny, a więc może on być zastosowany jako element indukcyjny w typowym układzie generatora Colpittsa. Dzięki dużej dobroci rezonatora, a więc bardzo stromej jego charakterystyce fazowej wokół częstotliwości rezonansu równoległego uzyskuje się dużą stabilność częstotliwości generowanego przebiegu.

Generator kwarcowy (nazywany generatorem Pierce'a), którego układ elektryczny jest bardzo podobny do układu generatora Colpittsa, przedstawiono na poniższym rysunku.

Generator wytwarza przebieg sinusoidalny o częstotliwości rezonansu równoległego. Dzielnik pojemnościowy C₁, C₂ jest dobrany tak, aby jego pojemność zastępcza była równa żądanej pojemności dołączanej równolegle do rezonatora (zależy od niej częstotliwość rezonansu równoległego), natomiast stosunek C₁/C₂ określający wartość współczynnika sprzężenia zwrotnego, zapewniał spełnienie warunku amplitudy.

Rezonator kwarcowy może być również stosowany w układach generatorów jako układ rezonansowy szeregowy. Ponieważ wówczas nie odwraca fazy, więc musi być włączony w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza nieodwracającego.

W układzie tym warunek fazy jest spełniony dla częstotliwości rezonansu szeregowego, natomiast warunek amplitudy jest spełniony, gdy rezystancje R₁, R₂ i R₃ są dobrane zgodnie z zależnością: R₂/R₁ = R/R₃, gdzie R jest szeregową rezystancją strat rezonatora.

Rezonator kwarcowy może być również zastosowany w układzie generatorów LC jako dodatkowy element stabilizujący częstotliwość generowanego przebiegu, określoną parametrami obwodu LC. Wówczas rezonator kwarcowy pracujący w rezonansie szeregowym jest włączony w obwód sprzężenia zwrotnego typowego generatora LC, zapewniając dodatnie sprzężenie zwrotne (spełnienie warunku fazy) tylko dla częstotliwości rezonansu szeregowego. Główny obwód rezonansowy LC (o mniejszej dobroci) musi być jednak dostrojony do częstotliwości rezonansu szeregowego kwarcu lub jej harmonicznych. Umożliwia to generowanie stabilnych częstotliwościowe sygnałów, o częstotliwościach większych od podstawowej częstotliwości rezonansowej zastosowanego rezonatora. Wspólną cechą generatorów kwarcowych jest duża stałość częstotliwości generowanego przebiegu (rzędu 10^-6) i jej względnie mała wrażliwość na zmiany temperatury.

Generatory - generatory sinusoidalne RC

W generatorach sinusoidalnych RC, pracujących w układzie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, jako układy ustalające częstotliwość generowanego przebiegu, czyli zapewniające spełnienie warunku fazy tylko dla wybranej częstotliwości, są stosowane przesuwniki fazy lub filtry pasmowe RC.

Generator o powyższym schemacie blokowym składa się ze wzmacniacza odwracającego fazę oraz przesuwnika fazowego RC, którego funkcję może pełnić drabinkowy filtr RC górno- lub dolnoprzepustowy, odwracający fazę o dalsze 180° lub filtr pasmowo-zaporowy typu "podwójne T".

W układzie z rysunku poniżej należy natomiast zastosować układ RC nie przesuwający fazy tylko dla jednej określonej częstotliwości.

Właściwości takie ma np. filtr pasmowoprzepustowy (filtr Wiena), stanowiący dwie gałęzie rezystancyjno-pojemnościowe układ zwanego mostkiem Wiena. Generatory z obwodami RC są stosowane w zakresie częstotliwości od części herca do kilkuset kiloherców.

Generatory sinusoidalne RC z mostkiem Wiena

Gałęzie rezystancyjno-pojemnościowe (R₁, C₁ i R₂, C₂) - z poniższego schematu - stanowią układ filtru pasmowoprzepustowego, nazywanego filtrem Wiena

Jeżeli R₁ = R₂ = R oraz C₁ = C₂ = C, to przy częstotliwości f₀ = 1/(2*pi*RC) nie występuje przesunięcie fazy miedzy sygnałem wyjściowym u₂ a wejściowym u₁. Dla tej częstotliwości (nazywanej guasi-rezonansową) tłumienie sygnału wejściowego przez układ filtru z rysunku b wynosi: U₂/U₁ = 1/3. Dzielnik rezystancyjny R₃ i R₄ mostka Wiena jest więc tak dobierany, aby przy częstotliwości f₀ jego napięcie wyjściowe U₂ było równe zeru, czyli R₃ = 2R₄. Układ mostka Wiena jest więc filtrem pasmowozaporowym.

Charakterystyki amplitudowa i fazowa układu z rysunku b (pokazane na poniższych wykresach) przypominają swoim kształtem odpowiednie charakterystyki szeregowego obwodu rezonansowego LC o bardzo małej dobroci Q.

Dobroć równoważna Q_r = f₀ / dfR wynosi bowiem zaledwie 1/3. Jednak w układzie zmodyfikowanego mostka Wiena (gdy R₃ = (2 + e) R₄, przy np. e = 0,01) dobroć jest znacznie większa i nachylenie charakterystyki fazowej w pobliżu częstotliwości f₀ jest bardzo duże (linia przerywana na powyższych charakterystykach). Układ filtru Wiena włączony w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza nieodwracającego może więc pełnić funkcję obwodu ustalającego częstotliwość, przy której jest spełniony warunek fazy (dodatnie sprzężenie zwrotne). Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza musi być dla tej częstotliwości większe od 3 V/V, aby było możliwe całkowite skompensowanie tłumienia pętli sprzężenia zwrotnego, a więc jednoczesne spełnienie warunku amplitudy. Stabilne wzmocnienie o takiej wartości można uzyskać włączając odpowiednio elementy R₃ i R₄ mostka Wiena w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Przez dobór elementów mostka Wiena można uzyskać spełnienie warunków generacji.

Generatory z mostkiem Wiena charakteryzują się dobrą stabilnością częstotliwości i amplitudy oraz małymi zniekształceniami nieliniowymi generowanego sygnału sinusoidalnego. Mogą być stosowane w zakresie częstotliwości od pojedynczych herców do kilkuset kiloherców, zależnie od charakterystyki amplitudowej zastosowanego wzmacniacza. Przestrajanie generatora w szerokim zakresie częstotliwości może być realizowane płynnie za pomocą podwojonego kondensatora zmiennego (C₁, C₂) i skokowo przez dołączanie rezystorów (R₁, R₂) mostka.

Układ generatora z mostkiem Wiena przedstawiono na poniższym rysunku

Mostek Wiena jest włączony w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza dwustopniowego w konfiguracji WE, a więc przesuwającego fazę o 360°. Elementy R₁, C₁, R₂ i C₂ mostka zapewniają dodatnie sprzężenie zwrotne dla częstotliwości quasi-rezonansowej f₀, natomiast elementy R₃ i R₄ mostka, dołączone do emitera tranzystora T₁, stanowią obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego ustalającego wzmocnienie wzmacniacza (A_u = 1 + R₃/R₄) oraz stabilizującego częstotliwość i amplitudę generowanego przebiegu. Aby jednak generacja była możliwa, czyli możliwy był do spełnienia warunek amplitudy, sygnał dodatniego sprzężenia zwrotnego dla częstotliwości f₀ musi być odpowiednio większy od sygnału sprzężenia ujemnego. Relacja ta jest spełniona, gdy mostek nie jest zrównoważony, a więc wartość rezystancji R₃ jest nieco większa od podwójnej wartości rezystancji R₄ (czyli R₃ > 2R₄).

Aby uzyskać lepszą stabilność temperaturową generatora, zazwyczaj zamiast rezystora R₃ jest stosowany termistor. Przykład generatora z mostkiem Wiena włączonym w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rysunku poniżej.

Elementy R₁, C₁, R₂ i C₂ stanowią obwód sprzężenia zwrotnego ustalający warunek fazy dla częstotliwości f₀. Warunek amplitudy jest natomiast dobierany stosunkiem rezystorów R₃ i R₄ włączonych w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza i ustalających jego wzmocnienie.

Generatory - generatory funkcyjne

Generatorem funkcyjnym nazywa się układ wytwarzający kilka wzajemnie zsynchronizowanych przebiegów o różnych kształtach, lecz o tej samej częstotliwości. Generatory funkcyjne na ogół wytwarzają przebiegi sinusoidalne, prostokątne i trójkątne, dostępne na trzech oddzielnych wyjściach. Do ich budowy stosuje się zazwyczaj scalone wzmacniacze operacyjne i komparatory napięcia. W najprostszej postaci generator funkcyjny składa się z generatora samowzbudnego wytwarzającego dwa przebiegi oraz układu kształtującego trzeci przebieg. Generowany może być również jeden przebieg, kształtowane zaś dwa pozostałe. Przykładowe schematy blokowe generatorów funkcyjnych przedstawiono na rysunku:

Zauważmy, że przebieg prostokątny jest ukształtowany z przebiegu sinusoidalnego lub trójkątnego w układzie komparatora napięcia. Przebieg trójkątny otrzymuje się przez całkowanie przebiegu prostokątnego. Przebieg sinusoidalny uzyskuje się z przebiegu trójkątnego przez aproksymację sinusoidy odcinkami paraboli w układzie całkującym.

Przykładowy schemat ideowy generatora funkcyjnego można zrealizować tak:

Wskutek dodatniego sprzężenia zwrotnego między wyjściem komparatora a wejściem filtru pasmowego, układ generuje podstawowy przebieg sinusoidalny, z którego jest kształtowany w komparatorze przebieg prostokątny. Przebieg ten jest z kolei kształtowany w układzie całkującym w celu otrzymania przebiegu trójkątnego. Zadaniem wtórnika napięciowego jest odseparowanie wyjścia przebiegu prostokątnego od wyjścia oscylatora. Częstotliwość generowanych przebiegów może być regulowana potencjometrem R₁ i jest określona wzorem:

Na poniższym rysunku przedstawiono schemat generatora, w którym zastosowano specjalizowany układ scalony generatora funkcyjnego MAX038.

Jest to przykład "gotowego" układu, do którego należy tylko dołączyć kilka elementów R i C określających częstotliwość generowanych przebiegów. Jego konstruowanie i uruchamianie sprowadza się do wiernego odtworzenia firmowego schematu aplikacyjnego. Układ generuje przebiegi sinusoidalne, prostokątne i trójkątne, programowane sygnałami cyfrowymi podawanymi na wejścia selekcyjne A1 i A0 (1,X - sinus, 0,0 - prostokąt, 0,1 - trójkąt). Regulowany potencjometrem P zakres częstotliwości sygnału (w podzakresach zależnych od wartości kondensatora C) wynosi od 0,2 Hz do 20 MHz. Napięcie wyjściowe (międzyszczytowe) dla każdego przebiegu wynosi 2 V.

Tym kończymy sześcioczęściowy artykuł o generatorach; mając nadzieję, że przybliżyliśmy Wam problematykę generatorów i technik w nich stosowanych. W przypadku dodatkowych pytań dotyczących generatorów zapraszamy do naszego forum.

---