Генераторы электрических сигналов составляют довольно многочисленную группу устройств, входящих в состав медицинских приборов и аппаратов. Прежде всего, это генераторы стимулирующих сигналов для различных типов электрофизиологической аппаратуры, воздействующей на биологические объекты колебаниями различной формы и интенсивности. Кроме того, генераторы используются для обеспечения работы и создания требуемых режимов функционирования различных электронных схем медицинской аппаратуры.
Генераторы синусоидальных колебаний
Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя ,охваченного положительной обратной связью (рис.1.1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения , передаваемого звеном обратной связи
1.1 – Структурная схема генератора
При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.
Синусоидальные генераторы
Общеизвестны две конфигурации. Первая называется генератор с мостом Вина. В этой схеме используются две RC цепи, одна с последовательными RC компонентами и одна с параллельными RC компонентами. Мост Вина часто используется в генераторах звуковых сигналов, так как он может легко настраиваться двух-секционным переменным конденсатором или двух секционным переменным потенциометром (который для генерации на низких частотах более доступен, чем соответствующий переменный конденсатор).
Вторая общеизвестная конструкция называется генератор с двойным Т-мостом, так как в ней используются две "Т" образные RC цепи включенные параллельно. Одна цепь является Т-образной R-C-R цепью, которая действует как фильтр пропускающий низкие частоты. Вторая цепь является Т-образной C-R-C цепью, которая действует как фильтр пропускающий высокие частоты. Вместе, эти цепи образуют мост, который настраивается на генерацию требуемой частоты.
Другой общеизвестной разработкой является фазосдвигающий генератор.
Если RC генераторы используются для производства неискажённой синусоиды, то они обычно требуют устройство некоторого вида для управления амплитудой. Многие разработки просто используют лампочку накаливания или термистор в цепи обратной связи. Эти генераторы используют тот факт, что сопротивление вольфрамовой нити накаливания увеличивается пропорционально её температуре, термистор работает похожим образом. Хорошо действующее ниже точки при которой нить накала действительно светится, увеличение амплитуды сигнала обратной связи увеличивает ток протекающий в нити накаливания тем самым увеличивая сопротивление нити накаливания. Увеличенное сопротивление нити накаливания уменьшает сигнал обратной связи, ограничивая сигнал генератора к линейной области.
Более сложные генераторы измеряют выходной уровень и используют это как обратную связь для управления усилением управляемого напряжением усилителя внутри генератоГенератор с мостом Вина — разновидность электронных генераторов синусоидальных колебаний. Схема основывается на электрической цепи (полосовом фильтре), первоначально разработанной Максом Вином в 1891 г. и известной, как мост Вина. Представляет собой электронный усилитель, охваченный частотнозависимой положительной обратной связью через мост Вина. Может генерировать в широком диапазоне частот и позволяет получить сигнал с очень малыми отличиями от идеальной синусоиды.
Современная схема происходит из работы Уильяма Хьюлетта на степень магистра в 1939 г. в Стэнфордском университете. Хьюлетт с Дэвидом Паккардом основали фирму Хьюлетт-Паккард. Их первой продукцией был прецизионный синусоидальный генератор HP200A, основанный на мосте Вина. Генератор HP200A был одним из первых приборов с такими низкими искажениями.
Частота генерации:
где R — сопротивление резисторов R1, R2; C — ёмкость конденсаторов C1, C2 (см. схему). Генератор с мостом Вина (выделен зеленым) на операционном усилителе. R1=R2, C1=C2
Фазосдвигающий генератор - является простым синусоидальным электронным генератором. Он состоит из инвертирующего усилителя и фильтра обратной связи "сдвигающего" фазу на частоте генерации на 180 градусов.
Фильтр должен быть разработан так, чтобы частоты выше и ниже частоты генерируемого сигнала были бы сдвинуты по фазе или больше или меньше чем на 180 градусов.
Наиболее простой путь построения фильтров этого вида является использование трёх каскадных резисторно-конденсаторных фильтров, которые не сдвигают фазу на одном конце шкалы частот и сдвигают фазу на 270 градусов на другом конце. На частоте генерации каждый фильтр сдвигает фазу на 60 градусов и вся цепь фильтра сдвигает фазу на 180 градусов.
Простой пример фазосдвигающего генератора
Генератор на трёх RC-цепочках с усилителями после каждой цепочки
Релаксационный RC-генератор на операционном усилителе
Одна из простейших разновидностей генераторов этого вида использует операционный усилитель (ОУ), три конденсатора и четыре резистора, как показано на схеме.
1.1 – Структурная схема генератора
Современная схема происходит из работы Уильяма Хьюлетта на степень магистра в 1939 г. в Стэнфордском университете. Хьюлетт с Дэвидом Паккардом основали фирму Хьюлетт-Паккард. Их первой продукцией был прецизионный синусоидальный генератор HP200A, основанный на мосте Вина. Генератор HP200A был одним из первых приборов с такими низкими искажениями.
где R — сопротивление резисторов R1, R2; C — ёмкость конденсаторов C1, C2 (см. схему). Генератор с мостом Вина (выделен зеленым) на операционном усилителе. R1=R2, C1=C2
Простой пример фазосдвигающего генератора