2.6.1. Генератор тока

Генератор тока — это устройство, обеспечивающее нужный ток (по возможности точно задаваемый и стабилизированный) в нагрузке с переменным сопротивлением. Среди областей его применения можно отметить перезаряд батареи, введение тока с медицинскими целями или электролиз химического раствора. В промышленности генераторы тока находят широкое применение для передачи информации, получаемой при измерении различных физических величин.

Есть несколько способов построения генератора тока, в том числе с применением специализированных схем. В простых схемах, представленных на рис. 2.32, используются стандартные компоненты (транзистор или операционный усилитель), но качество их работы заслуживает высокой оценки.

При проектировании генератора тока сначала следует определить верхний предел изменения сопротивления нагрузки, от которого зависит требуемое напряжение источника питания. Например, чтобы получить ток 10 мА через резистор 100 Ом, необходимо напряжение не менее 1 В. Если сопротивление увеличивается до 1000 Ом, потребуется уже 10 В и т. д. Генератор, работающий при напряжении питания 24 В, сможет обеспечить ток 10 мА при коротком замыкании на выходе или при подключении резистора с максимальным сопротивлением 2,4 кОм.

Рис. 2.32. Генератор тока на транзисторе (а) и на операционном усилителе (б)

2.6.2. Генератор, управляемый напряжением

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), представляет собой устройство, которое вырабатывает сигнал синусоидальной или прямоугольной формы. Он применяется в различных областях, например в системах ФАПЧ. В классическом RC-генераторе частота варьируется за счет изменения емкости или сопротивления электронным способом или вручную (например, с помощью потенциометра). Автоматическая регулировка на основе цифровой или аналоговой обработки сигнала является довольно сложной задачей. Ее решение облегчается при использовании специализированных микросхем, например CD4046 или NE567.

Два других варианта управляемых генераторов приведены ниже. На рис. 2.33а представлен классический мультивибратор, у которого частота генератора определяется параметрами RC-цепи. Для управления частотой использован фоторезистор, сопротивление которого зависит от освещенности и изменяется путем варьирования напряжения на лампочке накаливания. Достоинством устройства является полная развязка цепи управления и генератора.

На рис. 2.33б показан фрагмент схемы ГУН на базе микроконтроллера. На выходе формируется последовательность стандартных импульсов с частотой, заданной программным способом (как в случае аналого-цифрового преобразователя). Эта последовательность поступает на интегрирующую RC-цепочку, которая преобразует ее в постоянное напряжение, зависящее от частоты. Оно подается на один из входов операционного усилителя и сравнивается с поданным на второй вход управляющим напряжением. Разностный сигнал используется микроконтроллером для программного задания частоты, соответствующей уровню управляющего сигнала.

Рис. 2.33. Схемы ГУН на базе фоторезистора (а) и микроконтроллера (б)

2.6.3. Генератор напряжения с двоичным управлением

Иногда в цифровом устройстве нужно получить плавно изменяющееся напряжение, при этом высокая точность не требуется. Посредством такого напряжения можно, например, управлять устройством, предназначенным для постепенного зажигания ламп, или обеспечить плавное увеличение скорости вращения двигателя до максимального значения. Получить изменение потенциала в заданных пределах удастся и без помощи цифро-аналогового преобразователя. Простая схема, представленная на рис. 2.34а, может выполнить эту функцию.

Принцип работы состоит в управлении зарядом и разрядом конденсатора через резисторы, поочередно подключаемые к нему с помощью двух выключателей. Если выключатель S1 замкнут, то конденсатор С1 будет медленно заряжаться через резистор R1 до напряжения питания Ucc. Если он разомкнут, конденсатор будет поддерживать на своих выводах напряжение, до которого он был заряжен (при условии незначительного саморазряда). Когда замкнут выключатель S2, конденсатор С1 будет разряжаться через резистор R2. Скоростью нарастания и снижения напряжения можно управлять, варьируя величины R1 и R2.

Напряжение с конденсатора обычно подается на буферный каскад с высоким входным сопротивлением. При необходимости оно дополнительно усиливается и используется для выполнения требуемой функции. Для практической реализации схемы остается выбрать тип выключателей: речь может идти о контактах реле, дискретных транзисторах (рис. 2.34б) или микросхеме (например, CD4016, которая содержит четыре ключа). Сигналы управления могут поступать от логических вентилей, счетчиков или от микроконтроллера.

Рис. 2.34. Принцип построения генератора плавно изменяющегося напряжения (а) и схема генератора на транзисторах (б)

2.6.4. Фазовая автоподстройка частоты

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) представляет собой устройство, позволяющее генерировать цифровой сигнал, по фазе совпадающий с опорным. Область применения ФАПЧ весьма обширна и охватывает радиоприем, частотное детектирование, устройства выборки и т. д.

Система ФАПЧ включает в себя два основных элемента (рис. 2.35а): фазовый компаратор и генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Рис. 2.35. Схема ФАПЧ (а)

В качестве компаратора используется вентиль, выполняющий логическую функцию Исключающее ИЛИ. Напомним, что такой вентиль переходит в состояние логического нуля на выходе, когда на его входах появляются идентичные сигналы. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, частота которых регулируется путем изменения управляющего напряжения. Сигнал генератора поступает на один из входов вентиля, а на второй вход подается опорный сигнал. В случае их несовпадения на выходе вентиля появляется импульс, передний фронт которого опережает фронт опорного сигнала или отстает от него (рис. 2.35б).

… и эпюры сигналов в точках схемы (б)

После интегрирования импульс преобразуется в управляющее напряжение и поступает на вход генератора, что обеспечивает корректировку частоты сигнала на его выходе. При синхронизации сигналов выход вентиля находится в состоянии 0. Для индикации режима синхронизации к этому выходу обычно подключают светодиод.

Аналогичный способ применяется для индикации настройки радиоприемника на передающую станцию. Для того чтобы повысить гибкость и точность регулировки, между выходом генератора и входом компаратора включают делитель частоты (двоичный счетчик). Например, если частота опорного сигнала составляет 50 Гц и используется счетчик, включенный по схеме умножителя на 128 G бит), то генератор будет функционировать на центральной частоте 6400 Гц A28x50). Тогда при работе системы автоподстройки колебания частоты синтезируемого сигнала будут менее резкими. Микросхема CD4046, выполняющая функцию ФАПЧ, содержит весь набор описанных элементов, за исключением счетчика. Вопрос об использовании счетчика и о выборе его коэффициента деления должен решаться разработчиком устройства.