Введение в относительно несложный функциональный генератор нв микросхеме МАХ038 функций качания частоты и генератора меток позаоляет проводить разнообразнейшие измерения, регулировки и контроль работоспособности различной радиоэлектронной аппаратуры в широком диапазоне частот. Интересные возможности применения, которые имеет этот генератор, могут быть получены введением аналогичных узлоа и в другие функциональные генераторы, описания которых опубликованы в нашем журнале в последние два-три года.

При проведении ряда измерений функциональный генератор, наряду с мультиметром и осциллографом, является обязательным прибором, входящим, пожалуй, в основной необходимый комплекс домашней лаборатории радиолюбителя.

Генератор качающейся частоты тоже бывает незаменим при исследовании, например, амплитудно-частотных характеристик. Он позволяет наблюдать за изменением характеристик в зависимости от вариации параметров исследуемых цепей, при этом в некоторых случаях время настройки резонансных цепей может быть в десятки, а то и сотни раз меньше, чем в классическом методе исследования АЧХ по точкам.

Обычно в несложных функциональных генераторах с небольшим частотным диапазоном отсутствуют регулировки скважности прямоугольных импульсов, а такжв времени прямого и обратного хода напряжения пилообразной формы, нет возможности получения частотно- или широтноимпульсного модулированного сигнала. Что касается генераторов качающейся частоты, то в них обычно много резонансных контуров, они трудны в настройке, их изготовление зачастую не под силу и радиолюбителям средней квалификации.

В простых ГКЧ [2] обычно отсутствуют сигналы частотных меток, и поэтому без частотомера толку от таких приборов очень мало.

Предлагаемый вниманию радиолюбителей-конструкторов генератор свободен от перечисленных недостатков. Большая часть прибора собрана на цифровых микросхемах, что максимально упрощает его налаживание. Изготовить его может даже радиолюбитель с небольшим стажем. В описании приведены рекомендации по изменению некоторых характеристик "под свой вкус".

Основные технические хврактеристики генератора

Рабочий диапазон частот разбит на девять поддиапазонов:

1) 0,095 Гц...1,1 Гц;

2) 0,95 Гц... 11 Гц;

4) 95 Гц...1100 Гц;

5) 0,95 кГц...11 кГц;

6) 9,5кГц...110 кГц;

7) 95кГц...1100 кГц;

8) 0,95 МГц... 1 МГц;

9) 9 МГц...42 МГц*.

Форма выходного сигнала - прямоугольная, синусоидальная, треугольная, пилообразная. Размах выходного напряжения от пика до пика (на сопротивлении нагрузки RH= 50 Ом) - 1 В.

Скважность прямоугольных импульсов - 0,053... 19. Регулировка частоты и скважности выходного сигнала - взаимонезависимая.

Сигналы частотных меток можно устанавливать с интервалами 10 и 1 МГц, 100, 10 и 1 кГц, а также 100 Гц.

Максимальная модулирующая частота по входам ШИМ и ЧМ - 2 МГц, девиация частоты Fo (ЧМ) внешним модулирующим сигналом - до ±50 %.

Основу генератора (его схема приведена на рис. 1) составляет микросхема МАХ038 фирмы MAXIM, подробное описание которой приведено в [1].

(нажмите для увеличения)

"Девиация" находится в крайнем нижнем по схеме положении. Форма выходного сигнала генератора определяется логическими уровнями на входах АО, А1 и зависит от положения переключателя SA6. Было замечено влияние нестабильности управляющих сигналов для входов АО и А1 на общую нестабильность частоты генерации. Для цели минимизации данного эффекта предназначены конденсаторы С12, С13, уменьшающие уровень наводок и пульсации источника питания.

Частота генерируемого сигнала зависит от емкости СF, подключенной к выводу COSC (конденсаторы С1 - С8) напряжения на входе SADJ и втекающего тока на вход IIN. Выбор поддиапазона производится переключателем SA1. Плавная регулировка частоты внутри поддиапазона происходит по входу IIN. Величина тока, поступающего на вход, определяется сопротивлением резисторов R12, R13, коэффициентом усиления ОУ DA1.1 и положением движка переменного резистора R 20. Для поддиапазонов 2 - 8 она составляет 21...240 мкА. При переходе на 9-й поддиапазон увеличивается масштаб усиления DA1.1 за счет уменьшения ООС (введение R19) и величина тока IIN возрастает до 160...750 мкА. Это необходимо из-за ограничения минимально допустимой величины емкости CF в 20 пФ. При переключении на первый поддиапазон вводится R17, уменьшая падение напряжения на R20, R21 в десять раз и уменьшая соответственно IIN до 2,1...24 мкА.

Таким образом, для поддиапазонов 1 - 8 коэффициент перекрытия равен 11 и при переключении с одного поддиапазона на другой выходная частота изменяется в 10 раз, что позволяет использовать одну проградуированную шкалу плавного изменения частоты. Для девятого диапазона необходима отдельная шкала, он более растянут, коэффициент перекрытия - около 4,7. Для каждого конкретного экземпляра DA2 лучше экспериментально подбирать ширину девятого диапазона по значению граничной частоты генерации микросхемы. В любом случае для расширения, сужения или сдвига диапазонов частот можно воспользоваться формулами:

Fmin-UminR9/[CFR' ·(R12+R13)];

Fmax UmaxR9/[CFR' ·(R12+R13)],

где Umin= 5R21/(R20+R21), Umax= 5, R' = R18 - для поддиапазонов 1 - 8, R'= R19 - для поддиапазона 9; CF= C1 ...C8 (для соответствующего поддиапазона).

Параметры, представленные в формулах, измеряются соответственно: F - в килогерцах, U - в вольтах, R - в омах, С - в пикофарадах.

Надо отметить, что для первого поддиапазона из-за введения резистора R17 величины Umin и Umax, подставляемые в формулы для расчета частоты, необходимо уменьшить в десять раз относительно полученной. Конденсаторы С10, С11 предназначены для улучшения стабильности постоянного управляющего напряжения, поступающего на вход 5 0У DА1.1.

Относительная расстройка частоты (±50 % от F0) осуществляется резистором R4 (SA3 в положении "F0"). Для получения частотно-модулированных колебаний на вход ЧМ подают внешний модулирующий сигнал и переводят SA3 в верхнее по схеме положение (положение ЧМ).

Для широтно-импульсной модуляции используют соответствующий вход ШИМ; регулировка скважности производится резистором R2. Понятие "скважность" здесь применяется несколько условно, точнее - это изменение соотношения положительной полуволны относительно длительности периода в процентах: для прямоугольных колебаний это действительно скважность, но для колебаний треугольной формы - это соотношение времени прямого и обратного хода (сигнал меняется от "прямой" пилы до "обратной"), для синусоидального сигнала - изменение (искажение) формы сигнала. Последнее может быть полезно для минимизации коэффициента гармоник генератора подстройкой формы синусоиды.

Амплитуда модулирующих сигналов для входов ЧМ и ШИМ должна быть не более ±2,3 В.

Переключатели SA4, SA5 предназначены для отключения управления скважностью и частотой по входам DADJ и FADJ микросхемы DA2, при этом скважность устанавливается равной 2 (50 %), а частота точно соответствует выставленной резистором R20.

Выходной сигнал поступает с выхода OUT DA2 через резистор R44 на гнездо "Выход генератора 1". Входы COSC, DADJ, FADJ микросхемы очень чувствительны к внешним наводкам, их соединение с переключателями целесообразно проводить экранированным кабелем или узел генератора расположить в экранированном отсеке.

Для регулирования уровня выходного сигнала удобно пользоваться внешним аттенюатором, подключаемым между выходом генератора и входом исследуемого устройства. Можно рекомендовать аттенюатор, приведенный в [2], он обеспечивает диапазон ослабления от 0 до 64 дБ с шагом 1 дБ и хорошо согласуется по входному и выходному сопротивлению.

В режиме качания частоты вход " √ " генератора соединяют с соответствующим выходом осциллографа. Управление частотой ГКЧ синхронно с разверткой осциллографа производится по входу NN микросхемы DA2. Сигнал со входа поступает на конденсатор С9, где отсекается постоянная составляющая. Далее с движка переменного резистора R6, который регулирует размах управляющего сигнала и соответственно ширину полосы качания генератора, поступает на инвертирующий усилитель-сумматор DA1.1. Просуммированный с постоянной составляющей, определяющей центральную частоту качания и регулируемую резистором R20, сигнал поступает на вход UN DA2. Стабилитрон VD1 ограничивает максимально допустимый ток для входа IIN до уровня 750 мкА.

Генератор частотных меток состоит из задающего генератора на DD1.1 - DD1.3, делителей на DD3 и DD4, триггера DD5.1 и компаратора на DA1.4. Кварцевый задающий генератор вырабатывает сигнал частотой 10 МГц, который поступает на вход делителя DD3 (коэффициент деления 10). Далее с выхода DD3 сигнал в 1 МГц поступает на вход делителя с переменным коэффициентом деления DD4. В зависимости от положения переключателя SA7.1 на входе С триггера DD5.1 будет присутствовать сигнал частотой 10 МГц, 1 МГц или сигнал, частота которого определена коэффициентом деления DD4. На входы JK-триггера поступает с выхода SYNC DA2 сигнал, частота которого равна частоте выходного сигнала генератора, а фаза сдвинута на 90 град. К выходу триггера подключен ФНЧ на элементах R40, С22-С27 (частота среза определяется положением SA8).

Таким образом, на входе компаратора DA1.4 получаем низкочастотные биения выходной частоты генератора и частот, кратных частоте на тактовом входе DD5.1. Амплитуда биений тем выше, чем ближе расположены вышеуказанные составляющие по оси частот. Следовательно, при плавном изменении выходной частоты сигнала генератора на входе DA1.4 будут присутствовать всплески сигнала биений, указывающие на кратность частоты выходного сигнала генератора частоте сигнала меток. Ширина всплесков (во времени) зависит от ширины полосы ФНЧ и определяется положением SA8, это сделано для получения четких меток при разных полосах обзора и на различных диапазонах генератора. Резистором R36 определяется порог срабатывания компаратора, отсекая шумы биений ниже заданной амплитуды. Амплитуда меток регулируется резистором R46 и складывается с основным сигналом на R45. Коэффициент деления DD4 выбирается переключателем SA7.2 и позволяет получить на выходе делителя сигнал с частотами 100, 10, 1 кГц, 100 Гц. При положении SA7 в двух крайних (верхних по схеме) положениях DD4 производит однократный счет и останавливается - сигнала на его выходе Q нет.

Для расширения возможностей генератора можно дополнить сетку частот сигнала меток необходимым набором частот, например 465 кГц, для настройки УПЧ радиоприемников. В этом случае коэффициент деления выбирают исходя из формулы:

N = М (1000Р1+100Р2+10РЗ+ Р4)+ Р5,

где N - коэффициент деления; М - модуль, определяемый кодом на Ка, Кb, Кс; Р1 - множитель тысяч, определяется кодом на J2, J3, J4; Р2, РЗ, Р4 - множители сотен, десятков, единиц, они определяются кодом на J13-J16, J9- J12, J5-J8; Р5 - остаток, который определяется кодом J1-J4.

Подробное описание работы микросхемы К564ИЕ15 приведено в [3]. Генератор имеет отдельный выход "Метки", который может быть полезен в ряде измерений, где необходимо иметь образцовую кварцованную частоту.

Вспомогательный генератор звуковой частоты на DA1.2 собран по типовой схеме, он может использоваться для модуляции основного генератора по частоте или широтно-импульсной модуляции либо как отдельный генератор.

Детектор (рис. 2) собран по схеме удвоения напряжения и позволяет работать в диапазоне 10 кГц...50 МГц при использовании частоты развертки осциллографа не более 100 Гц.

Для исследования низкочастотных цепей частота развертки должна быть очень низкой, применение обычного осциллографа не позволяет видеть АЧХ. При наличии запоминающего осциллографа возможно наблюдение частотных характеристик, начиная с частоты 0,1 Гц. При этом необходимо применить другую входную цепь синхронизации, например, показанную на рис. 3.

Также для этой цели лучше изготовить отдельную детекторную головку, увеличив емкости конденсаторов С1 и С2 (см. рис. 2). Увеличение их емкости расширяет частотный диапазон снизу, одновременно уменьшая допустимую частоту развертки осциллографа. Для получения меток на низких частотах необходимо выбрать соответствующий коэффициент деления DD4 и вместо фильтра на R40, С22-С27 применить высокодобротный фильтр; ограничение все же имеется - выделить биения на низких частотах затруднительно.

Блок питания (рис. 4) собран по обычной схеме и вырабатывает питающие напряжения ±5 В и +12 В. Токи потребления по соответствующим шинам не превышают указанных пределов: +5 В - 300 мА; -5 В - 100 мА;+12 В-50 мА; -12 В-50 мА.

В устройстве использованы резисторы МЛТ 0,125, в качестве переменных допускается использовать СП, СП0, СП4. Частотнозадающие конденсаторы должны иметь малый ТКЕ - применимы серии КЛС, КМ-5 (С5-С8), К73-9, К73-16, К73-17 (С2-С4). Полярный конденсатор С1 - К52-1 с малым током утечки; остальные конденсаторы - любые. Переключатели SA1, SA6-SA8 - ПГ. Микросхемы DD1 - DD3, DD5 заменимы на аналогичные серий К155, К555, К533, нужно лишь учитывать соответственное изменение тока потребления. Микросхему серии 564 или К564 (DD4) вполне заменит К561ИЕ15.

Печатная плата для генератора не разрабатывалась. При размещении элементов и соединений на плате необходимо как можно дальше разнести все цепи, связанные со входами (выводы 3-10) DA2 от остальных цепей.

Настройку генератора начинают с подбора конденсаторов С1-С6, чтобы при переключении диапазонов частота менялась точно в десять раз. Конденсаторы С7, С8 лучше дополнительно подобрать после окончательной сборки конструкции, так как на общую емкость CF для поддиапазонов 8,9 влияют емкость соединительного кабеля, монтажная и другие паразитные емкости.

После этого градуируют две шкалы для резистора R20 (для поддиапазонов 1-8 и 9). Далее проверяют форму выходного сигнала в зависимости от положения SA6 и пределы регулирования скважности и расстройки. Диапазон их регулировки можно изменить, пересчитав делитель R1-R4, учитывая при этом, что напряжения на входах FADJ и DADJ должны быть в пределах ±2,3 В. Затем на вход "√" подают сигнал от осциллографа, вход Y осциллографа подключают к выводу 7 DA1.1, движок резистора R20 выставляют на середину одного из поддиапазонов, R6 ставят в верхнее по схеме положение и подбором R5 добиваются, чтобы сигнал на выводе 7 DA1.1 был в пределах 0,2...7,5 В. Это соответствует максимальной полосе качания. Внутри полосы частота может меняться в 300 раз, для уменьшения этого значения сопротивление R5 увеличивают до требуемой величины.

Настройку генератора частотных меток начинают с установки частоты задающего генератора. Частотомер подключают к выводу 6 DD1.3 и подстройкой конденсатора С18 выставляют частоту, равной 10 МГц. Далее проверяют соответствие частот на выходе частот меток положениям переключателя SA7. После этого проверяют наличие сигнала биений на выводе 13 DA1.4 и резистором R36 выставляют порог срабатывания компаратора до получения четких узких меток на выходе DA1.4. На этом настройку генератора можно считать законченной.

Вспомогательный генератор звуковой частоты на DA1.2 (см. рис. 1) настраивают подстройкой R23 до получения устойчивой генерации синусоидального сигнала.

Настройка блока питания заключается в выставлении соответствующих выходных напряжений с помощью резисторов R1, R4, R6.

Для исследования АЧХ собирают установку по схеме на рис. 5.

Переключатель SA6 переводят в положение генерации синусоидального сигнала. Предполагаемое расположение АЧХ выставляют переключателем SA1 и резистором R20, резистором R6 устанавливают необходимую полосу качания (обзора). С помощью переключателя SA7 выбирают необходимые частотные метки. Переключателем SA8 добиваются получения на экране осциллографа четких устойчивых меток. Изменяя параметры исследуемого устройства, отслеживают изменение характерных точек АЧХ: по частоте - относительно меток, по амплитуде - относительно положений аттенюатора.

*Верхняя частота девятого поддиапазона определяется конкретным экземпляром микросхемы МАХ038: ее типовое значение - около 40 МГц, минимальное - 20 МГц.

Автор: А.Матыкин, г.Москва