Иногда простое решение намного превосходит ожидания. Рассмотрим ГУН, генерирующий сигнал с частотой 1-100 Гц и с общим уровнем гармонических искажений 0,07%.
Такой генератор может понадобиться, например, чтобы испытать двухфазный бесщеточный двигатель, где нужен генератор синуса и косинуса с согласованными выходами, имеющими не более 2% гармонических искажений. Диапазон генерируемых частот должен покрывать не менее двух декад (в нашем случае 1-100 Гц). Амплитуда не должна меняться на всем частотном диапазоне. Рассмотрим наиболее простое решение, без использования микроконтроллеров, ШИМ, многополюсных магнитов и т.п.
Квадратурный ГУН можно изготовить из двух аналоговых умножителей. Это решение не является новым, однако опубликованные схемы имеют сильные искажения на одном выходе (4-5%), из-за которых происходит рассогласование сигналов. Достоинствами схемы являются простота и линейность.
Генератор синусоидального сигнала представляет собой усилитель с положительной обратной связью с коэффициентом усиления, равным 1, и выходными сигналами, сдвинутыми на 180°. Если коэффициент усиления менее единицы, то колебания затухают. Если превышает единицу, колебания нарастают, пока не произойдет насыщения. Если фазовый сдвиг 180° разбить на два по 90°, получим квадратурные выходные сигналы.
Принцип работы
Для уменьшения искажений воспользуемся тремя недорогими аналоговыми умножителями Analog Devices AD633.
Умножители U3 и U4 работают как интеграторы. Конденсатор C14 интегрирует выходной сигнал U3, C11 интегрирует выходной сигнал U4 (см. рис. 1). Резисторы R8, R10 и R9 обеспечивают постоянный выходной сигнал U3 и U4. Резисторы R5, R6 и конденсатор C7 обеспечивают положительную ОС для U4.
Рис. 1. Принципиальная схема
Для синусоидального сигнала интегрирование – то же самое, что сдвиг фазы на 90°. Поэтому подключение выхода первого интегратора ко входу второго обеспечивает обратную связь с общим сдвигом фаз 180°. Выходной сигнал U3 имеет форму косинуса, а на выходе U4 синус. Частота колебаний устанавливается входным сигналом Ес. Коэффициент пересчета равен 10 Гц/В.
Если усилитель U3 хвачен простой петлей ОС, то могут возникнуть проблемы с коэффициентом усиления – сложно обеспечить единицу. Во многих генераторах синусоидального сигнала в петле ОС используются нелинейные компоненты (диоды, полевые транзисторы с управляющим затвором, лампы), чтобы предотвратить насыщение, которое всегда приводит к искажению выходного сигнала.
Ослабить искажения на обоих выходах и обеспечить и коэффициент усиления строго 1 можно с помощью схемы автоматического регулирования усиления (АРУ), выполненной на основе умножителя U1.
Умножитель имеет передаточную функцию W=(X1-X2)(Y1-Y2)/10. Именно деление на 10 обеспечивает ослабление.
Стабилитрон D1 создает опорное напряжение, задающее базовую амплитуду входного сигнала U1. Диод D2 выполняет полуволновое выпрямление выходного сигнала U3. Компоненты R2, R3 и C1 образуют фильтр. Дифференциальный усилитель на входе Х умножителя U1 работает как усилитель ошибки, а дифференциальный усилитель на входе Y представляет собой инвертор, который обеспечивает отрицательную ОС.
Сигнал ошибки на входе Х преобразуется в переменный коэффициент, на который умножается сигнал ОС на входе Y. Этот механизм эффективно контролирует амплитуду выходного сигнала U3, задавая постоянную рабочую точку где-то между насыщением и отсечкой.
Работа схемы
Выходные сигналы показаны на рисунке 2. На осциллографе видны чистые синусоидальные колебания с правильными фазами. При номиналах, указанных на принципиальной схеме, ГУН генерирует частоты от 0,9 до 113 Гц с искажениями не более 0,07%. Анализатором искажений зафиксировано значение 0,044%. Это на порядок лучше, чем требовалось.
Рис. 2. Выходной сигнал
Время установления амплитуды составляет примерно 8 с (до установления в 1% коридоре от конечного значения). Компромисс между временем установления и искажениями на низких частотах достигается за счет подбора емкости С2. При малой С2 время установки уменьшается, но фильтрация на НЧ недостаточна. Если используются частоты, близкие к верхней границе диапазона, то значение С2 можно смело уменьшать, чтобы сократить время установки без значительного увеличения искажений.
Усилитель U1 можно охватить обратной связью второго порядка или снабдить компенсирующей схемой для большего ослабления искажений, однако при этом произойдет усложнение схемы и сокращения частотного диапазона.
Регулировка частотного диапазона осуществляется путем подбора номиналов R8, R10, C14, R9 и C11 и R5, R6, C7 и C2 в интеграторе.