Как работает генератор синуса на мосту Вина. Как рассчитать частоту генерации. Какие способы стабилизации амплитуды применяются. Как собрать генератор с усилителем и регулировкой выходного напряжения.
Принцип работы генератора на мосту Вина
Генератор синусоидального сигнала на мосту Вина является одним из наиболее распространенных и удобных для сборки вариантов. В чем заключается принцип его работы?
Ключевые компоненты генератора:
- Мост Вина — частотно-избирательная RC-цепь
- Операционный усилитель
- Цепь стабилизации амплитуды
Мост Вина представляет собой полосовой фильтр, состоящий из двух RC-звеньев. Он выделяет определенную частоту и подавляет остальные. Мост включается в цепь положительной обратной связи операционного усилителя.
Для возникновения устойчивых колебаний необходимо выполнение двух условий:
- Коэффициент усиления усилителя на частоте генерации должен быть равен 3
- Фазовый сдвиг в цепи обратной связи должен быть равен 0 или 360 градусов
При выполнении этих условий в системе возникают незатухающие синусоидальные колебания на расчетной частоте.
Расчет частоты генерации моста Вина
Как рассчитать частоту генерируемого сигнала? Для упрощения расчетов обычно принимают R1=R2=R и C1=C2=C. В этом случае частота определяется по формуле:
f = 1 / (2π * R * C)
где:
- f — частота генерации в Гц
- R — сопротивление резисторов в Омах
- C — емкость конденсаторов в Фарадах
При выборе номиналов R и C следует учитывать, что на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора должно быть примерно равно сопротивлению резистора:
XC ≈ R
Это обеспечит оптимальный режим работы фильтра.
Способы стабилизации амплитуды выходного сигнала
Для получения стабильной амплитуды синусоидального сигнала применяются различные методы нелинейной стабилизации. Какие варианты используются чаще всего?
Стабилизация с помощью лампы накаливания
Классический вариант — использование миниатюрной лампы накаливания в цепи отрицательной обратной связи. Как это работает?
- При включении сопротивление холодной лампы мало, коэффициент усиления >3
- Происходит запуск генерации
- По мере нагрева нити сопротивление лампы растет
- Коэффициент усиления снижается до 3, амплитуда стабилизируется
Недостатки метода: необходимость подбора лампы, ограниченный срок службы, зависимость от температуры окружающей среды.
Стабилизация на светодиодах
Более современный вариант — применение светодиодов в цепи ООС. В чем преимущества?
- Не требуется тщательный подбор элементов
- Высокая стабильность и долговечность
- Малая зависимость от температуры
Принцип действия основан на нелинейной вольт-амперной характеристике светодиодов, которая обеспечивает автоматическое поддержание амплитуды.
Схема генератора с усилителем и регулировкой выхода
Рассмотрим практическую схему генератора синусоидального сигнала на мосту Вина с дополнительным усилителем и возможностью регулировки выходного напряжения.
Основные узлы схемы:
- Генератор на ОУ с мостом Вина
- Стабилизация амплитуды на светодиодах
- Усилитель на втором ОУ
- Регулятор выходного напряжения
Такая конфигурация позволяет получить качественный синусоидальный сигнал с низким уровнем искажений и возможностью плавной регулировки амплитуды в широких пределах.
Преимущества и недостатки генератора на мосту Вина
Каковы основные плюсы и минусы данной схемы по сравнению с другими типами генераторов синусоидального сигнала?
Преимущества:
- Простота схемы и настройки
- Низкий уровень искажений выходного сигнала
- Широкий диапазон рабочих частот
- Высокая стабильность частоты и амплитуды
- Возможность плавной регулировки частоты
Недостатки:
- Сложность получения очень низких частот
- Необходимость подбора элементов для точной настройки
- Зависимость параметров от температуры и напряжения питания
Несмотря на некоторые недостатки, генератор на мосту Вина остается одним из лучших вариантов для получения качественного синусоидального сигнала в любительской практике.
Практические рекомендации по сборке генератора
На что следует обратить внимание при самостоятельной сборке генератора синусоидального сигнала на мосту Вина?
- Используйте качественные прецизионные резисторы и конденсаторы в мосте Вина
- Выбирайте ОУ с малым уровнем собственных шумов и достаточным быстродействием
- Обеспечьте хорошую развязку по питанию, используйте стабилизатор напряжения
- Тщательно выполните монтаж, исключив паразитные связи
- Настройку выполняйте с помощью осциллографа для контроля формы сигнала
При правильной сборке и настройке вы сможете получить генератор с коэффициентом гармоник менее 0,1% в широком диапазоне частот.
Применение генератора синусоидального сигнала
Для каких целей может использоваться генератор на мосту Вина?
- Настройка и проверка усилителей звуковой частоты
- Измерение амплитудно-частотных характеристик
- Калибровка измерительных приборов
- Проверка акустических систем
- Лабораторные исследования и эксперименты
- Генерация тестовых сигналов
Широкие возможности регулировки частоты и амплитуды делают генератор универсальным инструментом для различных радиолюбительских и исследовательских задач.
Заключение
Генератор синусоидального сигнала на мосту Вина — классическая и проверенная временем схема. При правильной реализации она позволяет получить качественный сигнал с минимальными искажениями. Простота конструкции в сочетании с хорошими характеристиками делает такой генератор отличным выбором для радиолюбителей и инженеров.
Генератор синусоидального сигнала на мосту Вина
В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.
В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно: Программа Audacity как простой генератор звука и шума
Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).
Мост Вина
Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух RC фильтров. Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.
Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:
Картинка позаимствована у Википедии
Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 .
Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже
Как рассчитать частоту
На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C. Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:
f=1/2πRC
Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.
Zc=1/ωC=1/2πνC
где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν
Мост Вина и операционный усилитель
Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала.
Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.
Коэффициент усиления на троечку
Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3. Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.
Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.
Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением: K=1+R2/R1
Но увы, мир не идеален.… На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф.
усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.
Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.
При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.
Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.
Стабилизация амплитуды на лампе накаливания
В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.
При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).
Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:
Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.
Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:
- требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
- при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
- управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.
Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.
Стабилизация амплитуды на светодиодах
Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2).
Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4. Остальные же элементы (R5, R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.
В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться 🙂
На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.
Качество генерации и применяемых элементов
Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.
А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.
Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.
В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.
Минусы светодиодов
На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.
После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.
Диоды 4148 вместо светодиодов
Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.
На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.
В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:
Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.
Замена переменного резистора постоянными
Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.
Использование переменного резистора в подобных цепях нежелательно по двум основным причинам:
- ненадежность подвижного контакта
- наличие у многооборотных подстроечных резисторов паразитной индуктивности, которая может отрицательно сказаться на качестве выходного сигнала
При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.
Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.
Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.
Как подобрать резисторы «на глаз»
В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.
Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.
Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.
Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.
Дополнительное усиление
Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.
Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.
Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:
K=1+R2/R1
Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.
Как умощнить выход
Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.
Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье Схема повторителя напряжение на ОУ. Мощный повторитель напряжения на TDA2030.
А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:
Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.
Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.
Заключение
Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.
Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.
Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется Активный выпрямитель.
Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru
Follow @AudioGeek_ru
Генератор синуса на одном транзисторе
Мощный генератор синусоидального напряжения на основе двойного Т-моста в качестве управляемого постоянным напряжением источника переменного напряжения.
Используя частотно-избирательную цепь в виде двойного Т-моста и линейный регулятор напряжения LT3080, можно построить генератор на основе двойного Т-моста с низким коэффициентом гармоник и возможностью управления выходной мощностью.
Оборудование для проверки систем переменного тока часто нуждается в источнике сигнала с малыми нелинейными искажениями для проведения проверки приборов. Общей практикой является использование, в качестве эталона, генератора сигналов с малыми искажениями, сигнал с которого подается на усилитель мощности и управляет проверяемым устройством. Эта Идея предлагает менее громоздкую альтернативу.
На рис. 1 изображен генератор, который выдает синусоидальный сигнал с малыми искажениями и возможностью управления мощностью выходного сигнала. Мощный генератор состоит из двух основных частей: схемы двойного Т-моста и мощного регулятора с низким падением напряжения. Схема двойного Т-моста работает как два фильтра Т-типа, соединенных параллельно: фильтр низких частот и фильтр высоких частот.
Схема двойного Т-моста обладает высокой частотной избирательностью как фильтр-пробка (режекторный фильтр). Регулятор с малым падением напряжения усиливает сигнал и управляет нагрузкой. Регулятор, используемый в этой схеме, содержит внутренний источник образцового тока с повторителем напряжения. Коэффициент передачи от вывода Управление (Set) до вывода Выход (Out) равен единице, а источником тока является стабильный источник тока на 10 мкА. Резистор RSET, подключенный к выводу Set программирует выходной уровень напряжения постоянного тока. Подключение схемы двойного Т-моста между выводами Выход (Out) и Управление (Set) pins, приводящее к тому, что фильтр ослабляет как высокие, так и низкие частоты, приводит к тому, что сигнал с частотой, соответствующей резонансной частоте фильтра, беспрепятственно проходит через него. Резисторы и конденсаторы задают центральную частоту фильтра, f0: f0=1/(2πRC).
Малосигнальный анализ схемы двойного Т-моста показывает, что максимальный коэффициент передачи наблюдается на центральной частоте. Максимальный коэффициент усиления генератора на двойном Т-мосте увеличивается от значения1 до значения 1.1 при увеличении K-фактора от двух до пяти (рис. 2). Максимальный коэффициент усиления уменьшается, когда K-фактор становится больше 5. Поэтому, обычно выбирают значение K-фактора в промежутке от трех до пяти для достижения коэффициента усиления большего единицы. Петлевое усиление должно быть равно единице чтобы поддерживать устойчивую генерацию. Таким образом, для подстройки петлевого усиления и управления амплитудой выходного сигнала требуется потенциометр.
Генератор на основе двойного Т-моста может управлять индуктивной, емкостной и резистивной нагрузкой. Ограничение тока стабилизатора с малым падением напряжения, которое составляет 1.1 А для микросхемы Linear Technology LT3080, является единственным ограничением на возможности управления нагрузкой генератора. Характеристики нагрузки, в свою очередь, ограничивают частотный диапазон. Например, нагрузка сопротивлением 10 Ом с выходным конденсатором емкостью 4.7 мкФ приводит к величине коэффициента гармоник Кг (THD) 7% на частоте выше 8 кГц, в то время, как на частоте 400 Гц Кг составляет всего 0.1% , для схемы на рис. 3. Генератор на двойном Т-мосте имеет ту же производительность, при линейном управлении нагрузкой, что и сама микросхема LT3080. Кроме того он работает в широком температурном диапазоне.
Используя автоматическое управление усилением, можно заменить потенциометр лампой накаливания (рис. 3) или управляемым напряжением каналом MOSFET-транзистора (рис. 4). Сопротивление лампы накаливания увеличивается при увеличении амплитуды выходного сигнала генератора, вследствие чего проявляется эффект самонагревания, таким образом отслеживается коэффициент усиления, управляющий генерацией выходного сигнала. На рис. 4, посредством детектирования пикового значения выходного напряжения с использованием стабилитрона, сопротивление канала MOSFET-транзистора уменьшается при увеличении амплитуды выходного сигнала генератора. Петлевое усиление также уменьшается, управляя генерацией сигнала.
На рис. 5 показана проверка формы сигнала генератора на двойном Т-мосте, при использовании лампы накаливания. Выход настроен на сигнал с двойной амплитудой от пика до пика 4В при напряжении смещения 5 В постоянного тока (рис. 6). Генератор на двойном Т-мосте имеет частоту генерации 400 Гц и коэффициент гармоник Кг 0.1%. наиболее значительный вклад вносит вторая гармоника, которая имеет амплитуду менее 4 мВ от пика до пика. На рис. 6 показана проверка формы сигнала генератора на двойном Т-мосте, при использовании MOSFET-транзистора. Кг составил 1% при амплитуде второй гармоник 40 мВ от пика до пика.
Переходные процессы при включении являются другим важным аспектом генератора. В обоих схемах отсутствуют сверхнизкочастотные колебания, характерные для других типов генераторов. Формы сигналов на рис. 7 и рис. 8 говорят о малом выбросе при включении. Генератор, использующий стабилизацию MOSFET-транзистором быстрее, чем генератор использующий стабилизацию лампой накаливания, поскольку лампа накаливания имеет большую инерционность при изменении температуры.
Данную схему можно использовать как управляемый постоянным напряжением источник переменного напряжения в приложениях, требующих малого коэффициента искажений и возможность управления выходной мощностью.
Данная схема генератора низкой частоты гармонического синусоидального сигнала предназначена для настройки и ремонта усилителей звуковой частоты.
Похожие записи:
4 комментария
Собрал схему из проверенных деталей. Ошибок нет (схема достаточно простая). Генерации и близко нет Не пойму, что не так
Я также изночально,ругался с даной схемой. Заменил несколько деталей и прибор стал работать.В их числе транзисторы и несколько резисторов,правдо методом тыка… Сечас точно не помню какие резисторы,но вот Транзистор Т1 и Т3 (ВС327)
схема — как генератор, почему-то не работает
Подскажите пожалуйста, мне нужен генератор 300 кГц. Какой 1 из трех контуров оставить. Контур с конденсатором С2, С3 или С4, чтобы упростить данную схему?
В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.
В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно: Программа Audacity как простой генератор звука и шума
Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).
Мост Вина
Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух RC фильтров. Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.
Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:
Картинка позаимствована у Википедии
Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже
Как рассчитать частоту
На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C. Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:
Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.
Zc=1/ωC=1/2πνC
где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν
Мост Вина и операционный усилитель
Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.
Коэффициент усиления на троечку
Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3. Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.
Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.
Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением: K=1+R2/R1
Но увы, мир не идеален.… На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф. усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.
Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.
При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.
Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.
Стабилизация амплитуды на лампе накаливания
В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.
При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).
Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:
Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.
Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:
- требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
- при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
- управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.
Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.
Стабилизация амплитуды на светодиодах
Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2).
Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4. Остальные же элементы (R5, R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.
В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться 🙂
На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.
Качество генерации и применяемых элементов
Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.
А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.
Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.
В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.
Минусы светодиодов
На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.
После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.
Диоды 4148 вместо светодиодов
Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.
На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.
В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:
Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.
Замена переменного резистора постоянными
Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.
Использование переменного резистора в подобных цепях нежелательно по двум основным причинам:
- ненадежность подвижного контакта
- наличие у многооборотных подстроечных резисторов паразитной индуктивности, которая может отрицательно сказаться на качестве выходного сигнала
При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.
Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.
Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.
Как подобрать резисторы «на глаз»
В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.
Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.
Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.
Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.
Дополнительное усиление
Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.
Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.
Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:
Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.
Как умощнить выход
Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.
Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье Схема повторителя напряжение на ОУ. Мощный повторитель напряжения на TDA2030.
А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:
Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.
Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.
Заключение
Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.
Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.
Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется Активный выпрямитель.
| Как известно, превратить усилитель звуковой частоты в генератор совсем не сложно, достаточно лишь ввести в него положительную обратную связь, то есть подать с выхода усилителя сигнал на его вход, да так, чтобы его фаза совпадала с фазой входного сигнала. В простейшем случае, если например имеется двухкаскадный усилитель на транзисторах, включенных с общим эмиттером, достаточно только добавить один конденсатор СХ (рис. 1), и усилитель станет генератором. В этом случае, колебания напряжения, всегда возникающие в цепях усилителя при включении питания, уже не будут затухающими, как в обычном усилителе, а наоборот будут расти. Расти до тех пор, пока не установится режим ограничения, так называемый стационарный режим генератора. То есть до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не достигнет максимальной величины для этого усилителя. В результате синусоида будет искажена, ограничена, урезана этим порогом и снизу и сверху, и по форме будет куда ближе к прямоугольным импульсам. Условие совпадения фаз будет выполняться в широком диапазоне частот и сигнал генератора будет иметь широкий спектр, что не всегда удобно при налаживании аппаратуры. Если такой сигнал подать на вход УЗЧ или на динамик, можно услышать что сигнал не однотонный, его звучание не чистое. Рисунок 2 Этого можно добиться включением в цепь обратной связи, охватывающей усилитель 1 (рисунок 2) RC-цепи, состоящей из двух резисторов и двух конденсаторов. На определенной частоте такая цепь создает нулевой сдвиг фаз. Эта частота определяется по формуле F = 1/27iRC (резисторы и конденсаторы должны быть одинаковыми). Изменяя сопротивления резисторов и емкости конденсаторов можно в широких пределах изменять частоту на которой будет нулевой сдвиг фаз, а следовательно изменять частоту генерируемого синусоидального сигнала. Сопротивление в Омах, емкость в Фарадах. Коэффициент передачи такой цепи равен 1/3, то есть, сигнал пройдя через эту цепь ослабляется её в три раза. Для того чтобы синусоидальный сигнал имел минимальные искажения, в усилитель, работающий генератором, необходимо ввести помимо положительно обратной связи, еще и отрицательную оhttp://makeshema.ru/engine/skins/bbcodes/images/b.gifбратную связь, которая будет снижать коэффициент усиления усилителя таким образом, чтобы поддерживалась устойчивая генерация, и при этом не возникало ограничение (урезание) синусоиды. На рисунке 3 показана практическая схема простого генератора синусоидальных сигналов звуковой частоты. На транзисторах VT1-VT3 собран двухкаскадный усилитель ЗЧ. Первый каскад на транзисторах VT1 и VT2, включенных по схеме составного транзистора, чтобы получить наибольшее усиление и входное сопротивление. Второй на транзисторе VT3. Вход усилителя — база VT1,выход — коллектор VT3. Частотозадающая цепь состоит из сдвоенного переменного резистора R4, добавочных резисторов R2 и R3, и конденсаторов С1-С6, которые переключаются сдвоенным переключателем S1. Когда S1 находится в показанном на схеме положении, диапазон частот (перекрывается переменным резистором R4) будет 20-200 Гц, если S1 поставить в среднее положение (на конденсаторы С2 и С5) диапазон частот будет 200-2000 Гц, и в нижнем положении S1 (на конденсаторы С3 и С6) диапазон будет 2000-20000Гц. Таким образом, вращением ручки резистора R4 и переключением S1 можно установить любую частоту от 20 Гц до 20 кГц. Резистор R10 служит для регулировки выходного напряжения ЗЧ. Когда его движок в верхнем, по схеме, положении, амплитуда выходного напряжения ЗЧ будет 1,5 В, когда в нижнем — ноль. |
| Метки: |
Генератор синусоидальных колебаний на инверторах схема. Генератор синусоидального сигнала
Используя частотно-избирательную цепь в виде двойного Т-моста и линейный регулятор напряжения LT3080 , можно построить генератор на основе двойного Т-моста с низким коэффициентом гармоник и возможностью управления выходной мощностью.
Оборудование для проверки систем переменного тока часто нуждается в источнике сигнала с малыми нелинейными искажениями для проведения проверки приборов. Общей практикой является использование, в качестве эталона, генератора сигналов с малыми искажениями, сигнал с которого подается на усилитель мощности и управляет проверяемым устройством. Эта Идея предлагает менее громоздкую альтернативу.
На рис. 1 изображен генератор, который выдает синусоидальный сигнал с малыми искажениями и возможностью управления мощностью выходного сигнала. Мощный генератор состоит из двух основных частей: схемы двойного Т-моста и мощного регулятора с низким падением напряжения. Схема двойного Т-моста работает как два фильтра Т-типа, соединенных параллельно: фильтр низких частот и фильтр высоких частот.
Схема двойного Т-моста обладает высокой частотной избирательностью как фильтр-пробка (режекторный фильтр). Регулятор с малым падением напряжения усиливает сигнал и управляет нагрузкой. Регулятор, используемый в этой схеме, содержит внутренний источник образцового тока с повторителем напряжения. Коэффициент передачи от вывода Управление (Set) до вывода Выход (Out) равен единице, а источником тока является стабильный источник тока на 10 мкА. Резистор RSET, подключенный к выводу Set программирует выходной уровень напряжения постоянного тока. Подключение схемы двойного Т-моста между выводами Выход (Out) и Управление (Set) pins, приводящее к тому, что фильтр ослабляет как высокие, так и низкие частоты, приводит к тому, что сигнал с частотой, соответствующей резонансной частоте фильтра, беспрепятственно проходит через него. Резисторы и конденсаторы задают центральную частоту фильтра, f0: f0=1/(2πRC).
Малосигнальный анализ схемы двойного Т-моста показывает, что максимальный коэффициент передачи наблюдается на центральной частоте. Максимальный коэффициент усиления генератора на двойном Т-мосте увеличивается от значения1 до значения 1.1 при увеличении K-фактора от двух до пяти (рис. 2). Максимальный коэффициент усиления уменьшается, когда K-фактор становится больше 5. Поэтому, обычно выбирают значение K-фактора в промежутке от трех до пяти для достижения коэффициента усиления большего единицы. Петлевое усиление должно быть равно единице чтобы поддерживать устойчивую генерацию. Таким образом, для подстройки петлевого усиления и управления амплитудой выходного сигнала требуется потенциометр.
Генератор на основе двойного Т-моста может управлять индуктивной, емкостной и резистивной нагрузкой. Ограничение тока стабилизатора с малым падением напряжения, которое составляет 1.1 А для микросхемы Linear Technology LT3080, является единственным ограничением на возможности управления нагрузкой генератора. Характеристики нагрузки, в свою очередь, ограничивают частотный диапазон. Например, нагрузка сопротивлением 10 Ом с выходным конденсатором емкостью 4.7 мкФ приводит к величине коэффициента гармоник Кг (THD) 7% на частоте выше 8 кГц, в то время, как на частоте 400 Гц Кг составляет всего 0.1% , для схемы на рис. 3. Генератор на двойном Т-мосте имеет ту же производительность, при линейном управлении нагрузкой, что и сама микросхема LT3080. Кроме того он работает в широком температурном диапазоне.
Используя автоматическое управление усилением, можно заменить потенциометр лампой накаливания (рис. 3) или управляемым напряжением каналом MOSFET-транзистора (рис. 4). Сопротивление лампы накаливания увеличивается при увеличении амплитуды выходного сигнала генератора, вследствие чего проявляется эффект самонагревания, таким образом отслеживается коэффициент усиления, управляющий генерацией выходного сигнала. На рис. 4, посредством детектирования пикового значения выходного напряжения с использованием стабилитрона, сопротивление канала MOSFET-транзистора уменьшается при увеличении амплитуды выходного сигнала генератора. Петлевое усиление также уменьшается, управляя генерацией сигнала.
На рис. 5 показана проверка формы сигнала генератора на двойном Т-мосте, при использовании лампы накаливания. Выход настроен на сигнал с двойной амплитудой от пика до пика 4В при напряжении смещения 5 В постоянного тока (рис. 6). Генератор на двойном Т-мосте имеет частоту генерации 400 Гц и коэффициент гармоник Кг 0.1%. наиболее значительный вклад вносит вторая гармоника, которая имеет амплитуду менее 4 мВ от пика до пика. На рис. 6 показана проверка формы сигнала генератора на двойном Т-мосте, при использовании MOSFET-транзистора. Кг составил 1% при амплитуде второй гармоник 40 мВ от пика до пика.
Переходные процессы при включении являются другим важным аспектом генератора. В обоих схемах отсутствуют сверхнизкочастотные колебания, характерные для других типов генераторов. Формы сигналов на рис. 7 и рис. 8 говорят о малом выбросе при включении. Генератор, использующий стабилизацию MOSFET-транзистором быстрее, чем генератор использующий стабилизацию лампой накаливания, поскольку лампа накаливания имеет большую инерционность при изменении температуры.
Данную схему можно использовать как управляемый постоянным напряжением источник переменного напряжения в приложениях, требующих малого коэффициента искажений и возможность управления выходной мощностью.
Генератор синусоидальных колебаний легко собрать на операционном усилителе. На рисунке показана принципиальная схема такого генератора, вырабатывающего сигнал частотой 400 Гц.
Пакеты прямоугольных импульсов с заданным количеством импульсов в пакете удобно использовать при отладке цифровых устройств.
В радиолюбительской практике часто бывают необходмы делители частоты с большим коэффициентом деления (1000… 10000 и выше). Обычно для этого используют или 4-5 счетчиков-делителеи на 10, или микросхему К561ИЕ15.
Генератор, схема которого приведена на рис.1, может найти применение в различных преобразователях однофазного напряжения в трехфазное. Он проще описанных в .
Несомненным достоинством предлагаемой схемы является её простота. Несмотря на свои необычный внешний вид, схема вполне надежна, автор пользуется ею уже около 2 лет.
Регулируемый генератор прямоугольных импульсов
Это устройство найдет применение в различных приборах автоматики для периодического прерывания тока в цепях нагрузки или для генерирования импульсов с изменяемыми в широких пределах периодом следования и длительности. Скважность импульсов может достигать нескольких тысяч, период их повторения и длительность — десятков секунд.
Создать несложный генератор синусоидальных сигналов , работающий на достаточно высоких частотах,- задача не такая уж и простая. Известные генераторы с мостом Вина позволяют осуществить генерацию колебаний с частотой не более 1 МГц, да и то при использовании быстродействующих операционных усилителей серий К544, K574 и с выходным уровнем не более 50… 100 мВ.
На рисунке изображена схема простого кварцевого генератора , который можно собрать на любом логическом элементе «И — НЕ», входящем в состав какой-либо микросхемы серии К155.
Это несложное устройство представляет собой генератор, управляемый напряжением (ГУН). Его можно использовать для звуковой индикации величины постояннного напряжения тоном меняющейся частоты. Основа ГУНа (см. схему) — интегратор DA1 и триггер Шмитта на элементах DD1.1, DD1.2.
Генератор (см. рисунок) обеспечивает получение пилообразного напряжения с хорошей линейностью.
Транзистор
Т1
генератора с резистором
R1
в цепи эмиттера представляет собой источник тока с выходным сопротивлением, равным нескольким мегомам. Током этого источника заряжается конденсатор
С2.
Функциональный генератор может быть собран на специальной микросхеме IC 8038. ICL8038-интегральная микросхема способная производить синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные импульсы. Для полнофункциональной работы микросхемы- генератора необходимо минимальное количество внешних компонентов.
Генераторы сигнала — это устройства, которые в первую очередь предназначены для тестирования передатчиков. Дополнительно специалисты используют их для измерения характеристик аналоговых преобразователей. Тестирование модельных передатчиков происходит путем имитации сигнала. Это необходимо, чтобы проверить прибор на соответствие современным стандартам. Непосредственно сигнал на устройство может подаваться в чистом виде либо с искажением. Скорость его по каналам может сильно различаться.
Как выглядит генератор?
Если рассматривать обычную модель генератора сигналов, то на передней панели можно заметить экран. Необходим он для того, чтобы следить за колебаниями и проводить управление. В верхней части экрана располагается редактор, который предлагает на выбор различные функции. Далее ниже идет севенсор, который показывает частоту колебаний. Под ним располагается режимная строка. Уровень амплитуды или смещения сигнала можно регулировать с помощью двух кнопок. Для работы с файлами имеется отдельная мини-панель. С ее помощью результаты тестирования можно сохранить либо сразу открыть.
Чтобы пользователь был способен менять частоту дискретизации, в генераторе имеется специальный регулятор. По числовым значениям можно довольно быстро произвести синхронизацию. Выходы сигналов, как правило, располагаются в нижней части устройства под экраном. Там же имеется копка для запуска генератора.
Самодельные устройства
Сделать генератор сигналов своими руками довольно проблематично из-за сложности устройства. Основным элементом оборудования принято считать селектор. Рассчитан он в модели на определенное число каналов. Микросхем в устройстве, как правило, имеется две. Для регулировки частоты генератору необходим синтезатор. Если рассматривать многоканальные приборы, то микроконтроллеры для них подойдут серии КН148. Преобразователи используются только аналогового типа.
Устройства синусоидального сигнала
Генератор синусоидального сигнала микросхемы использует довольно простые. Усилители при этом могут применяться только операционного типа. Это необходимо для нормальной передачи сигнала от резисторов на плату. Потенциометры включаются в систему с номиналом не менее 200 Ом. Показатель коэффициента заполнения импульсов зависит от скорости процесса генерации.
Для гибкой настройки устройства блоки устанавливаются многоканальные. генератор синусоидального сигнала изменяет при помощи поворотного регулятора. Для тестирования приемников он подходит только модулирующего типа. Это говорит о том, что каналов у генератора должно быть как минимум пять.
Схема низкочастотного генератора
Низкочастотный генератор сигналов (схема показана ниже) включает в себя аналоговые резисторы. Потенциометры должны быть установлены только номиналом 150 Ом. Для изменения величины импульса используют модуляторы серии КК202. Генерация в данном случае происходит через конденсаторы. Между резисторами в схеме должна находиться перемычка. Наличие двух выводов позволяет установить в генератор сигналов (низкочастотный) переключатель.
Принцип действия модели звукового сигнала
Подключая генератор частоты, первоначально напряжение подают на селектор. Далее переменный ток проходит через связку транзисторов. После преобразования в работу включаются конденсаторы. Отражаются колебания на экране при помощи микроконтроллера. Чтобы регулировать предельную частоту, необходимы специальные выводы на микросхеме.
Максимальную выходную мощность в этом случае генератор звукового сигнала может достичь в 3 ГГц, но погрешность должна быть минимальной. Для этого возле резистора устанавливается ограничитель. Фазовый шум системой воспринимается за счет коннектора. Показатель фазовой модуляции зависит исключительно от скорости преобразования тока.
Схема устройства смешанных сигналов
Стандартная схема генератора такого типа отличается многоканальным селектором. При этом выходов на панели имеется более пяти. В данном случае предельную частоту максимум можно выставлять в 70 Гц. Конденсаторы во многих моделях имеются с емкостью не более 20 пФ. Резисторы чаще всего включаются номиналом в 4 Ом. Время установки первого режима составляет в среднем 2.5 с.
За счет наличия ограничителя пропускания обратная мощность агрегата может достигать 2 МГц. Частоту спектра в данном случае можно регулировать при помощи модулятора. Для выходного импеданса имеются отдельные выходы. уровня в схеме равняется меньше 2 Дб. Преобразователи в стандартных системах имеются серии РР201.
Прибор сигналов произвольной формы
Данные приборы рассчитаны на малую погрешность. Режим гибкой последовательности в них предусмотрен. Стандартная схема селектора предполагает шесть каналов. Минимальный параметр частоты равняется 70 Гц. Положительные импульсы генератором данного типа воспринимаются. Конденсаторы в цепи емкость имеют не менее 20 пФ. Выходное сопротивление устройством выдерживается до 5 Ом.
По параметрам синхронизации данные генераторы сигнала довольно сильно отличаются. Связано это, как правило, с типом коннектора. В результате время нарастания колеблется от 15 до 40 нс. Всего режимов в моделях имеется два (линейный, а также логарифмический). С их помощью амплитуду можно менять. Погрешность частоты в данном случае составляет менее 3%.
Модификации сложных сигналов
Для модификации сложных сигналов специалисты используют в генераторах только многоканальные селекторы. Усилителями они оборудуются в обязательном порядке. Для смены режимов работы используют регуляторы. Благодаря преобразователю ток становится постоянным с 60 Гц. Время нарастания в среднем должно составлять не более 40 нс. С этой целью минимальная емкость конденсатора равняется 15 пФ. Сопротивление системой для сигнала обязано восприниматься в районе 50 Ом. Искажение при 40 кГц составляет обычно 1%. Таким образом, для тестирования приемников генераторы применяться могут.
Генераторы со встроенными редакторами
Генераторы сигнала указанного типа очень просты в настройке. Регуляторы в них рассчитаны на четыре позиции. Таким образом, уровень предельной частоты можно настраивать. Если говорить о времени установки, то оно во многих моделях составляет 3 мс. Достигается это за счет микроконтроллеров. Соединяются они с платой при помощи перемычек. Ограничители пропускания в генераторах данного типа не устанавливаются. Преобразователи по схеме устройства располагаются за селекторами. Синтезаторы в моделях применяются редко. Максимальная выходная мощность устройства находится на уровне 2 МГц. Погрешность в данном случае допускается только 2%.
Устройства с цифровыми выходами
Генераторы сигнала с цифровыми выходами коннекторами оснащаются серии КР300. Резисторы, в свою очередь, включаются номиналом не менее 4 Ом. Таким образом, внутреннее сопротивление резистором выдерживается большое. Тестировать данные устройства способны приемники с мощностью не более 15 В. Соединение с преобразователем осуществляется только через перемычки.
Селекторы в генераторах можно встретить трех- и четырехканальные. Микросхема в стандартной цепи, как правило, применяется типа КА345. Переключатели для измерительных приборов используют только поворачивающиеся. Импульсная модуляция в генераторах происходит довольно быстро, а достигается это за счет высокого коэффициента прохождения. Также следует учитывать малый уровень широкополосного шума на уровне 10 дБ.
Модели с высокой тактовой частотой
Генератор сигналов с высокой тактовой частотой отличается большой мощностью. Внутреннее сопротивление он способен в среднем выдерживать 50 Ом. Полоса пропускания у таких моделей обычно равняется 2 ГГц. Дополнительно следует учитывать, что конденсаторы используются емкостью не менее 7 пФ. Таким образом, максимальный ток выдерживается на отметке в 3 А. Искажение в системе максимум может составлять 1%.
Усилители, как правило, в генераторах можно встретить только операционного типа. Ограничители пропускания в цепи устанавливаются вначале, а также в конце. Коннектор для выбора типа сигналов присутствует. Микроконтроллеры можно встретить чаще всего серии РРК211. Селектор как минимум рассчитан на шесть каналов. Регуляторы поворотные в таких устройствах имеются. Максимум предельную частоту можно выставлять в 90 Гц.
Работа генераторов логических сигналов
Данный генератор сигналов резисторы имеет номиналом не более 4 Ом. При этом внутреннее сопротивление держится довольно высокое. Для уменьшения скорости передачи сигнала устанавливаются типа. Выводов на панели, как правило, имеется три. Соединение с ограничителями пропускания происходит только через перемычки.
Переключатели в приборах установлены поворотные. Можно выбирать два режима. Для фазовой модуляции генераторы сигнала указанного типа использоваться могут. Параметр широкополосного шума у них не превышает 5 дБ. Показатель частотной девации, как правило, находится на отметке в 16 МГц. К недостаткам можно отнести долгое время нарастания, а также спада. Связано это с низкой пропускной способностью микроконтроллера.
Схема генератора с модулятором МХ101
Стандартная схема генератора с таким модулятором предусматривает наличие селектора на пять каналов. Это дает возможность работать в линейном режиме. Максимальная амплитуда при низкой нагрузке выдерживается в 10 пик. Смещение по постоянному напряжению происходит довольно редко. Параметр выходного тока находится на отметке в 4 А. Погрешность частоты максимум способна доходить до 3%. Среднее время нарастания у генераторов с такими модуляторами равно 50 нс.
Форма сигнала меандр системой воспринимается. Тестировать приемники с помощью этой модели можно мощностью не более 5 В. Режим логарифмической развертки позволяет довольно успешно работать с различными измерительными приборами. Скорость перестройки на панели можно менять плавно. За счет высокого выходного сопротивления нагрузка с преобразователей снимается.
Генератор различных стабильных частот является необходимым лабораторным оборудованием. В интернете есть немало схем, но они либо морально устарели, либо не обеспечивают достаточно широкого перекрытия частот. Устройство, описываемое здесь, основано на высоком качестве работы специализированной микросхемы XR2206 . Диапазон перекрываемых генератором частот впечатляет: 1 Гц — 1 МГц! XR2206 способна генерировать качественные синусоидальные, прямоугольные и треугольные формы сигналов высокой точности и стабильности. У выходных сигналов может быть как амплитудная и частотная модуляция.
Параметры генератора
Синусоидальный сигнал:
Амплитуда: 0 — 3В при питании 9В
— Искажения: менее 1% (1 кГц)
— Неравномерность: +0,05 дБ 1 Гц — 100 кГц
Прямоугольный сигнал:
Амплитуда: 8В при питании 9В
— Время нарастания: менее 50 нс (при 1 кГц)
— Время спада: менее 30 нс (на 1 кГц)
— Рассимметрия: менее 5% (1 кГц)
Треугольный сигнал:
Амплитуда: 0 — 3 В при питании 9 В
— Нелинейность: менее 1% (до 100 кГц)
Схемы и ПП
Рисунки печатных плат
Грубая регулировка частоты осуществляется с помощью 4-х позиционного переключателя для частотных диапазонов; (1) 1 Гц-100 Гц, (2) 100 Гц-20 кГц, (3) 20 кГц-1 МГц (4) 150 кГц-1 МГц. Несмотря на то, что в схеме указан верхний предел 3 мегагерца, гарантированная предельная частота составляет именно 1 Мгц, далее генерируемый сигнал может быть менее стабильным.
В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.
В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно:
Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).
Мост Вина
Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух . Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.
Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:
Картинка позаимствована у Википедии
Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже
Как рассчитать частоту
На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C . Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:
f=1/2πRC
Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.
Zc=1/ωC=1/2πνC
где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν
Мост Вина и операционный усилитель
Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.
Коэффициент усиления на троечку
Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3 . Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.
Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.
Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением: K=1+R2/R1
Но увы, мир не идеален. … На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф. усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.
Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.
При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.
Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.
Стабилизация амплитуды на лампе накаливания
В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.
При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).
Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:
Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.
Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:
- требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
- при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
- управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.
Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.
Стабилизация амплитуды на светодиодах
Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2 ).
Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4 . Остальные же элементы (R5 , R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.
В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6 ). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться:-)
На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.
Качество генерации и применяемых элементов
Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.
А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.
Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.
В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.
Минусы светодиодов
На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.
После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.
Диоды 4148 вместо светодиодов
Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.
На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.
В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:
Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.
Замена переменного резистора постоянными
Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.
При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.
Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.
Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.
Как подобрать резисторы «на глаз»
В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.
Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.
Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.
Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.
Дополнительное усиление
Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.
Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.
Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:
K=1+R2/R1
Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.
Как умощнить выход
Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.
Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье .
А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:
Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.
Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.
Заключение
Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.
Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.
Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется .
Материал подготовлен исключительно для сайта
Генератор синусоидального сигнала со стабильной амплитудой
В статье рассмотрен разработанный автором генератор сину-соидальных колебаний фиксированной низкой частоты, имеющих высокую стабильность амплитуды.
Он содержит всего один операционный усилитель, три параллельных стабилизатора напряжения и один полевой транзистор. Особенность генераторов с мостом Вина в цепи обратной связи — необходимость точно поддерживать необходимый коэффициент передачи усилительного звена.
Для поддержания амплитуды синусоидальных колебаний на определённом уровне, гарантирующем минимальные искажения и максимальную временную и температурную стабильность, необходима регулируемая обратная связь.
В качестве регулирующих её элементов применяют лампы накаливания, терморезисторы, диоды, стабилитроны, полевые транзисторы.
Температурная и временная стабильность большинства генераторов, использующих для стабилизации указанные элементы, как правило, недостаточны для применения в измерительных устройствах. Поэтому часто применяют дополнительные меры для её повышения.
Например, в прецизионном генераторе синусоидальных колебаний [1] цепь АРУ образована дифференциальным усилителем на паре транзисторов и полевым транзистором, работающим в режиме регулируемого напряжением сопротивления.
Температурный дрейф выходного напряжения генератора определяется в основном свойствами транзисторов дифференциального усилителя и при тщательной их подборке не превышает 1 мВ/°С.
В генераторе синусоидальных сигналов [2] применена микросхема преобразователя среднеквадратичного напряжения в постоянное LTC1968 с усилителем ошибки на ОУ, управляющим полевым транзистором в цепи АРУ. Стабильность амплитуды этого генератора — 0,1 %.
В генераторах [3, 4] выпрямленное генерируемое колебание сравнивается с образцовым напряжением, а их усиленная разность управляет сопротивлением канала полевого транзистора. Н
естабильность амплитуды у генератора [4] не превышает нескольких десятков милливольт. Кстати, при повторении этого генератора необходимо заменить транзистор КП103, например, на КП305Ж, иначе генератор не заработает.
Принципиальная схема
Я предлагаю построить генератор иначе. Его схема изображена на рис. 1. Собственно генератор собран на ОУ DA4 КР140УД1208, отличающемся малым потребляемым током.
Рис. 1. Принципиальная схема генератора синусоидального сигнала со стабильной амплитудой.
Мост Вина R11C8R15C9 задаёт частоту генерации 50 Гц. Для настройки на другую частоту элементы моста рассчитывают по формуле
где R=R11=R15, а С=С8=С9. Для минимизации искажений элементы моста должны быть подобраны точно.
Стабилизирует амплитуду генерируемых колебаний работающий в режиме управляемого напряжением резистора полевой транзистор VT1 в цепи отрицательной обратной связи ОУ.
Управляющее напряжение поступает на затвор полевого транзистора с выхода компаратора, выполненного на параллельных стабилизаторах напряжения DA2 и DA3, который реагирует на разность положительного амплитудного значения выходного напряжения генератора и термокомпенсированного порогового напряжения 2,5 В стабилизатора DA2.
При положительном значении этой разности напряжение на катоде стабилизатора DA2 — около +2 В, в противном случае оно близко к напряжению питания (+6 В).
Стабилизатор DA3 служит логическим инвертором напряжения на катоде стабилизатора DA2. Постоянная времени интегрирующей цепи R8C7 выбрана значительно большей периода генерируемых колебаний, чтобы АРУ, стабилизируя амплитуду сигнала, не искажала его синусоидальную форму. При частоте колебаний 50 Гц время их установления достигает нескольких секунд.
На рис. 2-5 показаны осциллограммы сигналов в некоторых точках генератора. Они сняты при скорости горизонтальной развёртки 5 мкс/дел. и коэффициенте отклонения по вертикали 2 В/дел.
Источником напряжения +6 В служит стабилизатор DA1. Ёмкость конденсатора С6, устраняющего возможное самовозбуждение микросхемы DA1, выбрана с учётом границ стабильности, указанных в [5] (с. 13, рис. 16).
Интегрирующая цепь R16C10 предназначена для контроля симметрии генерируемого сигнала относительно нулевого уровня. Её добиваются, установив подстроечным резистором R14 нулевое напряжение в контрольной точке XT1.
Рис. 2. Осциллограмма сигнала — выход DA4.
Рис. 3. Осциллограмма сигнала — вывод 3 DA2.
Рис. 4. Осциллограмма сигнала — вывод 1 DA3.
Рис. 5. Осциллограмма сигнала — вывод 3 DA3.
Генератор был испытан на термостабильность путём его нагрева до температуры 30 °С. Исходное эффективное значение выходного синусоидального напряжения 2 Вэфф увеличилось на 4 мВ, что соответствует 0,13 мВ/°С или 0,0065 %/°С. При этом ток, потребляемый от источника напряжения +9 В, был равен 3,2 мА, а от источника напряжения -9 В — 0,5 мА.
Эффективное значение генерируемого напряжения оставалось неизменным при изменении плюсового напряжения питания в пределах +(8…Ю) В, а минусового — в пределах -(4… 10) В. Следовательно, генератор можно питать нестабилизированным напряжением.
Для правильной работы генератора значения сопротивления резисторов R9-R12 должны относиться как 10:1:0,63:1,9. Для резисторов R9, R10, R12 это соответствует наиболее устойчивой работе генератора с мостом Вина, а для резистора R11 — минимальному дрейфу ОУ.
Детали
Конденсаторы С7-С9 — плёночные MKS2, имеющие стабильную ёмкость и высокое сопротивление изоляции, причём ёмкость конденсаторов С8 и С9 подобрана одинаковой с точностью 0,1 %.
Возможно применение прецизионных конденсаторов К71-7. Конденсатор C10 — оксидный неполярный. Резисторы R9-R12 — С2-29В или С2-14, остальные — МЛТ или подобные.
Генератор, собранный по аналогичной схеме на операционном усилителе 140УД17А, обеспечил температурную стабильность амплитуды колебаний 0,03 мВ/°С или 0,0015 %/°С.
Б. Демченко, г. Киев, Украина. Р-05-19.
Литература:
- Алексенко А. Г, Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. — М.: Радио и связь, 1985.
- Генератор синусоидальных сигналов с высокой амплитудной стабильностью и малыми искажениями. — elcomdesign.ru.
- Ленк Дж. 500 практических схем на популярных ИС. — М.: ДМК Пресс, 2001.
- Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства. — М.: Радио и связь, 1984.
- TL431, TL431A Прецизионные настраиваемые параллельные стабилизаторы напряжения. — naliwator.narod.ru — tl431rus.pdf.
Генератор синусоидальных сигналов с высокой амплитудной стабильностью и малыми искажениями
На рисунке 1 показан простой генератор, состоящий из моста Вина и контура стабилизации амплитуды. Колебания генерируются усилителем LT1632, охваченным петлей положительной обратной связи. Амплитуда колебаний и ее стабильность регулируются отрицательной ОС, образованной преобразователем LTC1968, буфером LTC2054 и усилителем ошибки LT1632.
Рис. 1. Принципиальная схема
Частота колебаний 1/(2πRC), где R и C – номиналы компонентов из контура положительной ОС. Коэффициент ослабления отрицательной ОС составляет примерно 3. Транзистор 2N4338 выступает в роли переменного резистора, сопротивление которого регулируется напряжением затвор-исток. С его помощью регулируется амплитуда выходного сигнала. Время включения и установки амплитуды схемы определяются главным образом временем установления LTC1968, которое обычно составляет около 1 мс при емкости конденсатора 0,01 мкФ.
Преобразователь среднеквадратичного напряжения в постоянное LTC1968 с высокой точностью измеряет амплитуду выходной сигнала LT1632 и генерирует постоянный сигнал, равный одной трети среднеквадратичного выходного напряжения LTC1968. Резистивный ослабитель на входе обеспечивает малую ошибку в коридоре ≤1 В для выходных синусоидальных колебаний 3VRMS.
Буферы LTC2054 на выходе LTC1968 используются для минимизации ошибки. Усилитель ошибки LT1632 сравнивает среднеквадратичное значение колебаний с VSET, которое устанавливает требуемое среднеквадратичное значение амплитуды. Усилитель ошибки контролирует напряжение затвор-исток, чтобы модулировать в соответствии с ним амплитуду колебаний.
VOUT(RMS) = 3 • VSET; 0 ≤ VSET≤ 1 В
Делитель 10 кОм – 11,5 кОм на затворе транзистора компенсирует эффекты модуляции в канале. Они могут вызывать сильные гармонические искажения в схеме.
Измерения с помощью анализатора спектра Hewlett—Packard 3589Aпоказали, что гармонические искажения в схеме при генерации сигнала 100 кГц и со среднеквадратичной амплитудой 1 В составляют -92 дБс (0,0025%). Амплитудная стабильность не меньше -60 дБс (0,1%).
При среднеквадратичном значении выходного сигнала 2 В характеристики схемы ухудшаются незначительно: гармонические искажения составляют -80 дБс (0,01%), стабильность -55 дБс (0,18%).
Преобразователь LTC1968 может измерять амплитуды синусоидального сигнала частотой до 500 кГц с абсолютной ошибкой менее 1% (не зависит от амплитудной стабильности схемы).
Возможна генерация и более ВЧ сигналов, до 15 МГц.
Мостовой синусоидальный осциллятор / генератор Вина »Электроника
Генератор или генератор синусоидального сигнала с мостом Вина на операционном усилителе — отличная схема для генерации синусоидального сигнала на звуковых частотах и выше.
Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение
Сводка схем
Инвертирующий усилитель
Суммирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель
Усилитель с регулируемым усилением
Активный фильтр высоких частот
Активный фильтр нижних частот
Полосовой фильтр
Режекторный фильтр
Компаратор
Триггер Шмитта
Мультивибратор
Бистабильный
Интегратор
Дифференциатор
Генератор моста Вина
Генератор фазового сдвига
Одним из популярных методов генерации синусоидальной волны с помощью операционного усилителя является использование конфигурации моста Вина.Конструкция электронной схемы довольно проста и обеспечивает хорошие общие характеристики.
Как следует из названия, генератор или генератор моста Вина на операционном усилителе основан на сети моста Вина. Это разновидность мостовой схемы, разработанная Максом Вином в 1891 году, и она состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов.
Мостовой осциллятор Вина существует уже много лет и находит применение во многих областях в качестве звукового осциллятора, используя либо дискретные электронные компоненты, либо операционные усилители.
Поскольку операционные усилители — это такие простые в использовании электронные компоненты, обеспечивающие почти идеальную работу, они широко используются в подобных схемах.
Что такое Венский мост
Базовая схема моста Вина показана ниже и как это видно из этого.
Схема базового моста ВинаБазовая мостовая схема использовалась во многих приложениях, включая измерение номинала конденсаторов, где переменные резисторы и известный конденсатор могли использоваться для определения номинала конденсатора, обычно C1.
Сначала рассмотрим схему с качественной точки зрения. Это помогает объяснить фактическую работу схемы и дает представление о том, как она работает.
RC-цепь моста ВинаИз схемы видно, что схему можно разделить на две части: последовательный элемент моста Вина, т.е. последовательный резистор и конденсатор образуют фильтр верхних частот; и параллельный конденсаторный резисторный элемент, образующий фильтр нижних частот от линии до земли.
Другими словами, имеется последовательный фильтр верхних частот и параллельный фильтр нижних частот.Общий эффект состоит в том, что их комбинация образует селективный полосовой фильтр второго порядка, который имеет довольно высокую добротность и резонансную частоту f 0 .
Если смотреть на сеть очень просто, на нулевой частоте последовательный фильтр нижних частот, состоящий из электронных компонентов R1 и C1, будет иметь бесконечный импеданс, потому что постоянный ток не может проходить через конденсатор.
Точно так же на очень высоких частотах в эффекте параллельной цепи преобладает практически нулевой импеданс конденсатора — он фактически замыкает выход.
Между этими частотами есть точка, где выходной сигнал достигает максимума — его «резонансная частота», F 0 .
На этой резонансной частоте реактивное сопротивление всей цепи равно ее сопротивлению, то есть: Xc = R, а разность фаз между входом и выходом равна нулю. Величина выходного напряжения при этом максимальном значении равна трети входного напряжения.
Также обнаружено, что фазовый сдвиг в сети изменяется с частотой, проходя через ось на резонансной частоте, f 0 .
Отклик с точки зрения напряжения и фазы RC-цепи моста ВинаРассмотрение схемы с более математической точки зрения для проектирования электронных схем. Мост Вина особенно гибкий и не требует одинаковых значений электронных компонентов R или C. На некоторой частоте реактивное сопротивление плеча R2 – C2 будет точным кратным реактивному сопротивлению плеча R1 – C1. Если два рычага R3 и R4 отрегулированы в одинаковом соотношении, мост будет сбалансирован.
Для определения балансовой частоты можно использовать простые уравнения.
ω0 = 1R1 R2 C1 C2C1C2 = R4R3 -R2R1
Уравнения проектирования электронной схемы упрощаются, если R1 = R2 и C1 = C1; результат R4 = 2 R3.
На практике значения электронных компонентов R1 / R2 и C1 / C2 никогда не будут точно равными, но приведенные выше уравнения показывают, что для фиксированных значений в этих плечах мост будет балансировать при некотором ω и некотором отношении R4 / R3. .
Эти допущения и упрощения значительно упрощают проектирование электронной схемы.
Мостовой генератор Вина на ОУ
Для электронной схемы генератора синусоидальной волны мост может использоваться в контуре обратной связи, и схема колеблется в точке баланса, то есть в «резонансной точке» сети. Кроме того, очень высокие уровни входного импеданса и очень низкие уровни выходного импеданса операционного усилителя означают минимальную нагрузку на элементы моста, что упрощает конструкцию электронной схемы.
Генератор на мосту Вина можно рассматривать как усилитель с положительным усилением, совмещенный с полосовым фильтром, через который применяется положительная обратная связь.Поскольку используется положительная обратная связь, необходимо иметь возможность ограничивать усиление, чтобы избежать чрезмерных уровней искажений. Это достигается несколькими способами за счет использования автоматической регулировки усиления, преднамеренной нелинейности и случайной нелинейности, ограничивающих выходную амплитуду, и их можно использовать в различных схемах по-разному.
Базовая схема генератора или генератора моста Вина показана ниже и содержит элементы мостовой схемы, обернутые вокруг самого операционного усилителя.Внутри схемы можно увидеть усилитель с положительным усилением и полосовой фильтр, обеспечивающий положительную обратную связь.
Схема осциллятора с мостом Винана операционном усилителе Элементы моста, содержащие конденсаторы, связаны с неинвертирующим входом, а чисто резистивные элементы связаны с инвертирующим входом. Анализ схемы показывает, что для колебания цепи должен быть фазовый сдвиг на 180 °, а для этого необходимо, чтобы C1 = C2 и R1 = R2. Дополнительно Rf обычно устанавливается равным 2 Rg.Частоту колебаний можно определить из простого уравнения:
Одной из проблем этой формы схемы генератора / генератора моста Вина является уровень создаваемых искажений. Если значение Rf увеличивается (увеличивается коэффициент усиления схемы), то обнаруживается, что уровень искажений также увеличивается по мере того, как операционный усилитель переходит в режим насыщения.
Один из простых способов преодоления этого, который использовался во многих случаях, — это заменить резистор Rg маленькой лампой накаливания или термистором.Отношение сопротивлений Rf установлено на уровне около 2Rg. Эта идея работает, потому что при первом включении генератора лампа холодная и сопротивление невелико. Ток, протекающий через него, больше, и лампа или термистор нагреваются, тем самым увеличивая сопротивление, что, в свою очередь, приводит к падению коэффициента усиления и падению тока. Через некоторое время достигается точка равновесия, и осциллятор саморегулирует усиление и, следовательно, уровень искажений.
Диодный ограничитель амплитуды для генератора с мостом Вина
Другой метод ограничения размаха амплитуды генератора и, следовательно, уменьшения искажений заключается в использовании пары встречных диодов в контуре обратной связи генератора.Диоды можно размещать поперек части сопротивления R f . По мере увеличения амплитуды сопротивление эффективно уменьшается, а амплитуда уменьшается.
Схема на ОУ на мостовом генераторе Вина с ограничивающими диодамиЭта схема способна обеспечить более низкий уровень искажений, чем схема, без какого-либо ограничения амплитуды.
Генератор моста Вина используется во многих приложениях для создания синусоидального сигнала. Хотя уровни искажений могут быть выше, чем у некоторых других форм звукового генератора, тем не менее, он обеспечивает очень удобную и надежную форму звукового синусоидального генератора.
Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем. . .
Схема, особенности и работа
В электронных и коммуникационных приложениях сигнал, который возникает естественным образом, известен как синусоида.Существует множество электронных устройств, которые используют синусоидальные сигналы, такие как радио и т. Д. Обычно устройства питания генерируют синусоидальные сигналы. В силовой электронике генератор синусоидальной волны часто используется в некоторых приложениях, таких как силовой инвертор постоянного / переменного тока. Итак, в этой статье обсуждается обзор того, что такое генератор синусоидальной волны и как он генерирует синусоидальную волну с помощью операционного усилителя. Существует множество способов генерации синусоидальных волн с использованием различных генераторов, таких как мост Вина, фазовый сдвиг, кристалл Колпитса, прямоугольная волна, генератор функций и т. Д.
Что такое генератор синусоидальной волны?
Определение: Схема, которая используется для генерации синусоидальной волны, называется генератором синусоидальной волны. Это одна из форм волны, которая появляется из электрических розеток дома. Эта форма волны может наблюдаться при питании от сети переменного тока, а также применима в акустике. Мы знаем, что существуют разные типы сигналов, которые генерируются разными электронными устройствами. Таким образом, каждая форма волны генерирует разные звуки. Синусоидальная волна — это один из видов сигнала, который используется в акустике.Для разработки схемы генератора синусоидальной волны требуются различные типы компонентов, такие как интегральная схема, резисторы, конденсаторы, транзисторы и т. Д.
Генератор синусоидальной волныПринцип работы
Это выдающийся инструмент для генерации синусоидальных волн с использованием волновых драйверов или динамиков. Частотный диапазон этого генератора составляет от 1 Гц до 800 Гц, а амплитуда синусоидальной волны должна быть изменена. Студенты могут заметить природу кванта для моделей стоячей волны, когда генератор синусоидальной волны перескакивает с одной резонансной частоты на другую.Этот генератор имеет встроенную память, которая позволяет ему определять последние и основные частоты для дополнительного исследования.
Характеристики
Особенности генератора синусоидальной волны включают следующее.
- Отрегулируйте выходную частоту с помощью таких регуляторов, как Fine & Coarse.
- Напряжение синусоидального сигнала можно изменить, регулируя амплитуду.
- Он имеет такую функцию, как интеллектуальное сканирование, которое позволяет ручкам для изменения частоты легко при непрерывном повороте.
- В этом генераторе пластиковый корпус в основном включает в себя зажим задней тяги и угловые резиновые ножки для вариантов динамической установки.
- Встроенный зажим используется для установки этого генератора на стандартный стержень.
- В этом генераторе частота может отображаться в цифровом виде с разрешением 0,1 Гц с помощью светодиодов красного цвета.
- Этот генератор сохраняет приращение частоты и будет вращаться в диапазоне частот, используя распознаваемое увеличение для адаптированного удобства.
Генератор синусоидальной волны с операционным усилителем
Схема генератора синусоидальной волны с использованием операционного усилителя показана ниже. Сигнал знаковой волны используется наряду с произвольной частотой, применяемой в различных конструкциях схем. Следующая схема может быть разработана с двойным операционным усилителем, резисторами и конденсаторами. На следующем рисунке показана принципиальная схема генератора синусоидальной волны.
Следующая схема генерирует синусоидальную волну, сначала генерируя прямоугольную волну на необходимой частоте с помощью усилителя A1.Подключение этого усилителя может быть выполнено как нестабильный генератор, а его частота может быть определена через резистор R1 и конденсатор C1. Двухполюсный ФНЧ с усилителем A2 фильтрует выходной прямоугольный сигнал усилителя A1. Эта частота среза фильтра эквивалентна частоте прямоугольной волны от усилителя A1.
Прямоугольный сигнал состоит из основной частоты и аномальных гармоник основной частоты. Большая часть гармонических частот удаляется ФНЧ, а основная частота остается на выходе усилителя A2.Основная частотная составляющая прямоугольного сигнала в 1,27 раза превышает пиковую амплитуду прямоугольного сигнала. Выходная амплитуда синусоидальной волны будет около 87% прямоугольного сигнала.
Пик этой волны будет зависеть от напряжения питания усилителя, а также от состояния размаха усилителя. Кроме того, пик синусоидальной и прямоугольной волны изменит дорожку в пределах напряжения питания усилителя. В этой схеме частота указывается вместе с вычисленными значениями C1, C2, R1, C3, R4 и R5.Здесь номиналы резистора составляют 1 кОм, и это значение должно быть согласовано по величине, чтобы помочь минимизировать ошибки во время работы на фактической частоте по сравнению с работой на расчетной частоте.
Следующие уравнения используются для выбора компонентов. Необходимая частота синусоидальной волны — «F». Величину конденсатора С1 можно выбрать произвольно. Остальные значения компонента рассчитываются следующим образом.
C2 = C1
C3 = 2C1
R1 = 1 / 2F / 0.693 * C1
R6 = R5
R5 = 1 / 8,8856 * F * C1
Как сгенерировать синусоидальную волну в Arduino?
Используя метод цифрового синтеза, можно точно сгенерировать синусоидальную волну с помощью Arduino. В этом методе нет необходимости в дополнительном оборудовании. Диапазон частот 0 — 16 кГц. Здесь искажения менее 1% на частотах до 3 кГц. Таким образом, этот метод полезен не только для создания звука и музыки в тестовом или измерительном оборудовании.Кроме того, метод DDS используется в телекоммуникациях. Вроде ФСК и ПСК.
Для реализации метода прямого цифрового синтеза в программном обеспечении нам требуются четыре компонента, такие как аккумулятор и настроечное слово; это две длинные целочисленные переменные, цифро-аналоговый преобразователь может быть предоставлен через блок ШИМ. Контрольный CLK выводится через внутренний аппаратный таймер в ATmega. Настроечное слово можно добавить в аккумулятор. Старший бит аккумулятора может быть взят как адрес таблицы синусоидальных сигналов, где бы выбранное значение генерировалось как аналоговое значение через блок ШИМ.Весь этот процесс может быть синхронизирован по времени с помощью процедуры прерывания, которая работает как эталонный тактовый генератор.
Генератор синусоидального сигнала ЦАП
Генерация высококачественных синусоидальных волн затруднительна, но использование нелинейного метода ЦАП используется для генерации высококачественных синусоидальных волн.
Кроме того, с помощью недорогой технологии ЦАП-АЦП информация о линейности АЦП и ЦАП точно получается простым 1 попаданием на код. Таким образом, возможно включить информацию о линейности ЦАП на вход кодов ЦАП, что остановит нелинейность ЦАП при o / p для достижения высокой чистоты.
Этот метод подтвержден результатами широкого моделирования, которые подтвердили его точность и устойчивость к разным структурам, разрешениям и другим характеристикам АЦП / ЦАП. Таким образом, это высокое качество синусоидальных волн широко используется в различных приложениях из-за меньшей стоимости и простоты настройки. Кроме того, информация о линейности АЦП и ЦАП точно собирается вместе без каких-либо приборов для измерения точности.
Итак, это все — обзор принципа работы генератора синусоидальной волны, схемы и его работы.Вот вам вопрос, как сгенерировать синусоидальную волну в Matlab?
Операционный усилитель пониженной мощности: служебная синусоида
Наше семейство операционных усилителей расширилось за счет лучшей в отрасли зависимости скорости от тока питания. Семейство LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 (одинарное, двойное, четырехканальное) обеспечивает 1,3 МГц при сверхнизком токе питания 20 мкА, с максимальным напряжением смещения 400 мкВ и входом и выходом между шинопроводами. В сочетании с питанием от 1,8 В до 5,25 В этот операционный усилитель позволяет использовать приложения, требующие бескомпромиссной производительности с низким энергопотреблением и низким напряжением по разумной цене.
Нельзя ожидать генерации синусоидальной волны с искажением –100 дБн при использовании операционного усилителя малой мощности на 5 В. Тем не менее, полосовой фильтр, использующий LTC6258, может сочетаться с простым в использовании маломощным генератором для создания синусоидальной волны при низкой стоимости, низком напряжении и чрезвычайно низком рассеянии.
Полосовой фильтр на Рисунке 1 связан по переменному току со входом. В результате вход LTC6258 не возлагает на предыдущую ступень нагрузку по выработке определенного абсолютного синфазного напряжения. Простой резисторный делитель с RA1 и RA2 обеспечивает смещение для полосового фильтра LTC6258.Привязка входов операционного усилителя к фиксированному напряжению помогает уменьшить искажения, которые могут возникнуть при перемещении синфазного сигнала. Этот фильтр сконцентрирован на частоте 10 кГц. Точные значения сопротивления и емкости можно изменять в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от того, что важнее всего — наименьший шум резистора или наименьший общий ток питания. Эта реализация была оптимизирована для низкого рассеивания за счет уменьшения
Этот фильтр центрирован на 10 кГц. Точные значения сопротивления и емкости можно изменять в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от того, что важнее всего — наименьший шум резистора или наименьший общий ток питания.Эта реализация была оптимизирована для низкого рассеяния за счет уменьшения тока в контуре обратной связи. Конденсаторы C2 и C3 изначально были 4,7 нФ или выше, с более низкими номиналами резисторов. В конце концов, 1 нФ с более высокими резисторами оптимизированы для меньшего рассеивания.
Помимо рассеивания мощности, второстепенным, но не менее важным аспектом импеданса обратной связи является нагрузка выходного каскада «rail-to-rail» операционного усилителя. Более тяжелая нагрузка, например, импеданс между 1 кОм и 10 кОм, значительно снижает коэффициент усиления разомкнутого контура, что, в свою очередь, влияет на точность полосового фильтра.В техническом паспорте указано, что у A VOL уменьшается в 5 раз со 100 кОм до 10 кОм. Более низкие значения C2 и C3 могут быть возможны, но тогда R6 станет еще больше, что приведет к большему шуму на выходе.
Требуемая добротность этого полосового фильтра умеренная — приблизительно 3. Умеренная добротность, а не высокая добротность, позволяет использовать 5% конденсаторов. Более высокая добротность потребует более точных конденсаторов и, скорее всего, более высокого коэффициента усиления разомкнутого контура на частоте 10 кГц, чем это доступно с нагрузкой с полным сопротивлением обратной связи. Естественно, умеренная добротность приводит к меньшему затуханию гармоник, чем более высокая добротность.
Генератор синусоидальной волны малой мощности может быть получен путем ввода прямоугольной волны в полосовой фильтр. Полная схема показана на рисунке 3. Генератор с микромощным резистором LTC6906 легко конфигурируется как прямоугольный сигнал частотой 10 кГц и может управлять относительно щадящей нагрузкой, наблюдаемой на входных резисторах полосового фильтра. Ток питания LTC6906 на частоте 10 кГц составляет 32,4 мкА.
На рисунке 4 показаны выход LTC6906 и выходной сигнал полосового фильтра. HD2 синусоиды составляет –46,1 дБн, а HD3 –32.6 дБн. Выходной сигнал был от 1,34 В P-P до 1,44 В P-P с небольшим изменением точного уровня из-за конечного коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя на частоте 10 кГц. Общее потребление тока ниже 55 мкА на шине 3 В.
На рис. 5 показаны дополнительные усовершенствования. Опорный сигнал с низким энергопотреблением использует возможность LTC6906 и LTC6258 работать с очень низким энергопотреблением. Ссылка обеспечивает 2,5 В от входа батареи. Фиксированный источник питания 2,5 В стабилизирует размах выходного напряжения при изменении входного напряжения.Кроме того, даже более низкие значения конденсатора фильтра при более высоком сопротивлении дополнительно снижают нагрузку на LTC6258, уменьшая рассеивание и повышая точность фильтра.
Семейство LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 (одинарное, двойное, четырехканальное) обеспечивает полосу усиления 1,3 МГц при низком токе питания 20 мкА, с максимальным напряжением смещения 400 мкВ, а также входом и выходом Rail-to-Rail. В сочетании с питанием от 1,8 В до 5,25 В этот операционный усилитель позволяет использовать приложения, требующие отличной производительности с низким энергопотреблением и низким напряжением по невысокой цене.
Интегратор операционного усилителя, Интегратор операционного усилителя
Операционные усилители могут использоваться как часть усилителя с положительной или отрицательной обратной связью или как схема типа сумматора или вычитателя, используя только чистые сопротивления как на входе, так и в контуре обратной связи.
Но что, если мы заменим чисто резистивный (Rƒ) элемент обратной связи инвертирующего усилителя на частотно-зависимый комплексный элемент с реактивным сопротивлением (X), например конденсатор C.Каким будет эффект на передаточную функцию усиления напряжения операционного усилителя в его частотном диапазоне в результате этого комплексного импеданса?
Заменив это сопротивление обратной связи конденсатором, мы теперь имеем RC-сеть, подключенную к тракту обратной связи операционных усилителей, что дает еще один тип схемы операционного усилителя, обычно называемой схемой интегратора операционного усилителя , как показано ниже.
Схема интегратора операционного усилителя
Как следует из названия, интегратор операционного усилителя представляет собой схему операционного усилителя, которая выполняет математическую операцию интеграции , то есть мы можем заставить выход реагировать на изменения входного напряжения с течением времени, как операционный усилитель. интегратор выдает выходное напряжение , которое пропорционально интегралу входного напряжения .
Другими словами, величина выходного сигнала определяется продолжительностью времени, в течение которого напряжение присутствует на его входе, когда ток через контур обратной связи заряжает или разряжает конденсатор, когда через конденсатор возникает необходимая отрицательная обратная связь.
Когда ступенчатое напряжение Vin сначала подается на вход интегрирующего усилителя, незаряженный конденсатор C имеет очень маленькое сопротивление и действует как короткое замыкание, позволяя протекать максимальному току через входной резистор, Rin, поскольку существует разность потенциалов между две пластины.На вход усилителя ток не течет, а точка X является виртуальной землей, что приводит к нулевому выходному сигналу. Поскольку полное сопротивление конденсатора в этот момент очень низкое, коэффициент усиления X C / R IN также очень мал, что дает общий коэффициент усиления по напряжению менее единицы (цепь повторителя напряжения).
По мере того как конденсатор обратной связи C начинает заряжаться из-за влияния входного напряжения, его полное сопротивление Xc медленно увеличивается пропорционально скорости его заряда. Конденсатор заряжается со скоростью, определяемой постоянной времени RC цепочки (τ).Отрицательная обратная связь вынуждает операционный усилитель создавать выходное напряжение, которое поддерживает виртуальную землю на инвертирующем входе операционного усилителя.
Поскольку конденсатор подключен между инвертирующим входом операционного усилителя (который имеет виртуальный потенциал земли) и выходом операционного усилителя (который теперь отрицателен), потенциальное напряжение Vc, возникающее на конденсаторе, медленно увеличивается, вызывая тем самым зарядный ток. уменьшаются при увеличении импеданса конденсатора. Это приводит к увеличению отношения Xc / Rin к линейно возрастающему выходному напряжению, которое продолжает увеличиваться до тех пор, пока конденсатор не будет полностью заряжен.
В этот момент конденсатор действует как разомкнутая цепь, блокируя дальнейшее прохождение постоянного тока. Отношение конденсатора обратной связи к входному резистору (X C / R IN ) теперь бесконечно, что приводит к бесконечному усилению. Результатом такого высокого усиления (аналогичного усилению разомкнутого контура операционных усилителей) является то, что выходной сигнал усилителя переходит в насыщение, как показано ниже. (Насыщение происходит, когда выходное напряжение усилителя сильно колеблется на одну шину питания или другую с незначительным или отсутствующим контролем между ними).
Скорость увеличения выходного напряжения (скорость изменения) определяется номиналом резистора и конденсатора, «постоянной времени RC». Изменяя это значение постоянной времени RC, либо изменяя значение конденсатора C или резистора R, можно, например, также изменить время, за которое выходное напряжение достигает насыщения.
Если мы подадим постоянно изменяющийся входной сигнал, такой как прямоугольная волна, на вход интегратора-усилителя , тогда конденсатор будет заряжаться и разряжаться в ответ на изменения входного сигнала.Это приводит к тому, что выходной сигнал представляет собой сигнал пилообразной формы, на выход которого влияет постоянная времени RC комбинации резистор / конденсатор, поскольку на более высоких частотах у конденсатора меньше времени для полной зарядки. Этот тип схемы также известен как Ramp Generator , и передаточная функция приведена ниже.
Генератор линейного изменения интегратора операционного усилителя
Мы знаем из первых принципов, что напряжение на пластинах конденсатора равно заряду на конденсаторе, деленному на его емкость, дающую Q / C.Тогда напряжение на конденсаторе будет выходным Vout, следовательно: -Vout = Q / C. Если конденсатор заряжается и разряжается, скорость заряда напряжения на конденсаторе определяется как:
Но dQ / dt — это электрический ток, и поскольку узловое напряжение интегрирующего операционного усилителя на его инвертирующем входном выводе равно нулю, X = 0, входной ток I (in), протекающий через входной резистор, Rin задается как:
Ток, протекающий через конденсатор обратной связи C, определяется как:
Предполагая, что входной импеданс операционного усилителя бесконечен (идеальный операционный усилитель), ток на клемму операционного усилителя не течет.Следовательно, узловое уравнение на инвертирующей входной клемме имеет вид:
, из которого мы получаем идеальное выходное напряжение для интегратора ОУ как:
Чтобы немного упростить математику, это также можно переписать как:
Где: ω = 2πƒ и выходное напряжение Vout является постоянной величиной 1 / RC, умноженной на интеграл входного напряжения V IN по времени.
Таким образом, схема имеет передаточную функцию инвертирующего интегратора с коэффициентом усиления -1 / RC.Знак минус (-) указывает фазовый сдвиг 180 o , поскольку входной сигнал подключается непосредственно к инвертирующей входной клемме операционного усилителя.
Интегратор ОУ переменного или непрерывного действия
Если мы изменим вышеуказанный прямоугольный входной сигнал на сигнал синусоиды переменной частоты, интегратор ОУ будет работать меньше как интегратор и начнет вести себя больше как активный «фильтр нижних частот», пропуская низкочастотные сигналы, в то время как ослабление высоких частот.
При нулевой частоте (0 Гц) или постоянном токе конденсатор действует как разомкнутая цепь из-за своего реактивного сопротивления, таким образом блокируя любую обратную связь по выходному напряжению. В результате между выходом и входом усилителя создается очень небольшая отрицательная обратная связь.
Таким образом, с одним конденсатором C в цепи обратной связи на нулевой частоте операционный усилитель эффективно подключается как обычный усилитель без обратной связи с очень высоким коэффициентом усиления без обратной связи. Это приводит к тому, что операционный усилитель становится нестабильным, что вызывает нежелательные условия выходного напряжения и возможное насыщение шины напряжения.
Эта схема соединяет высокое сопротивление параллельно с непрерывно заряжающимся и разряжающимся конденсатором. Добавление резистора обратной связи R 2 на конденсаторе C придает схеме характеристики инвертирующего усилителя с конечным коэффициентом усиления по напряжению с обратной связью, определяемые по формуле: R 2 / R 1 .
В результате на высоких частотах конденсатор закорачивает этот резистор обратной связи R 2 из-за эффектов емкостного реактивного сопротивления, снижающего коэффициент усиления усилителя.На нормальных рабочих частотах схема действует как стандартный интегратор, а на очень низких частотах, приближающихся к 0 Гц, когда C становится разомкнутым из-за его реактивного сопротивления, величина усиления напряжения ограничивается и регулируется соотношением: R 2 / Р 1 .
Интегратор операционного усилителя переменного тока с регулятором усиления постоянного тока
В отличие от усилителя-интегратора постоянного тока, выходное напряжение которого в любой момент времени будет интегралом формы волны, поэтому, когда входной сигнал является прямоугольным, форма выходного сигнала будет треугольной.Для интегратора переменного тока синусоидальная форма входного сигнала будет генерировать другую синусоидальную волну на выходе, которая будет на 90 o не в фазе с входом, генерирующим косинусоидальную волну.
Более того, когда входной сигнал треугольный, форма выходного сигнала также синусоидальная. Затем это формирует основу активного фильтра нижних частот, как было показано ранее в уроках по разделу фильтров, с угловой частотой, указанной как.
В следующем руководстве по операционным усилителям мы рассмотрим другой тип схемы операционного усилителя, который является противоположностью или дополнением схемы интегратора операционного усилителя , описанной выше, и называется дифференциальным усилителем.
Как следует из названия, дифференцирующий усилитель вырабатывает выходной сигнал, который представляет собой математическую операцию дифференцирования, то есть выдает выходное напряжение, которое пропорционально скорости изменения входного напряжения и току, протекающему через входной конденсатор.
LM324 Функциональный генератор: моделирование и тестирование схем
I Введение
1.1 Что такое LM324?
LM324 — недорогой четырехъядерный операционный усилитель.
Генератор низкочастотных сигналов, разработанный с использованием его в качестве основного устройства, имеет преимущества простой схемы, стабильной формы сигнала, экономичности и практичности, а также простоты использования. Он может выводить синусоидальные, прямоугольные и треугольные сигналы, обычно используемые в экспериментальных испытаниях. А частоту и амплитуду сигнала можно регулировать.
Рисунок 1.Четырехоперационные усилители LM324
1.2 Что такое Wave G enerator ?Генератор сигналов относится к прибору, который генерирует электрические тестовые сигналы с необходимыми параметрами. Схема может состоять из операционных усилителей и дискретных компонентов или одночипового интегрированного функционального генератора. Он широко применяется в производственной практике и технике. Некоторые стандартные продукты, которые широко используются в настоящее время, хотя и имеют полные функции и высокопроизводительные индикаторы, более дороги и имеют много функций, которые недоступны.
1.3 Генератор волн с использованием LM324В этом блоге в качестве основного устройства используются четырехоперационные усилители с дифференциальным входом LM324, синусоидальная волна генерируется колебательной схемой RC-моста, затем прямоугольная волна генерируется компаратор перехода через нуль, и треугольная волна генерируется интегрирующей схемой.
Посредством моделирования и эксперимента по моделированию программного обеспечения Proteus была получена идеальная форма волны 20 Гц ~ 20 кГц, а также можно регулировать частоту и амплитуду сигнала.
КаталогII Как сгенерировать и преобразовать волну
Существует множество схем генерации и преобразования сигналов. Здесь используется схема синусоида → прямоугольная волна → треугольник волна , показанная на рисунке 2. Среди них синусоидальная волна генерируется колебательным контуром RC-моста, который характеризуется стабильной амплитудой и частотой, простой настройкой и может генерировать синусоидальный сигнал с очень низкой частотой; затем используется компаратор перехода через ноль для генерации прямоугольной волны, а затем RC-интегральная схема используется для генерации треугольной волны.Этот сигнал имеет ту же частоту.
Эта схема имеет простую структуру и может генерировать хорошие синусоидальные и прямоугольные сигналы, но сгенерировать синхронизированный сигнал треугольной формы с помощью интегральной схемы сложно. Причина в том, что если постоянная времени схемы интегрирования не изменяется, амплитуда выходной треугольной волны изменяется одновременно с изменением частоты прямоугольного сигнала. Для сохранения неизменной выходной амплитуды треугольной волны и хорошей линейности необходимо одновременно изменять постоянную времени интегрирования.
Рисунок 2. Генерация и преобразование волн
Частота сигнала определяется RC схемой выбора частоты синусоидального колебательного контура. Из-за большого диапазона частот в сети выбора частоты используются три набора конденсаторов с разной емкостью для формирования трех частотных диапазонов, которые выбираются переключателем диапазонов, а затем коаксиальный потенциометр регулирует частоту колебаний. Три вида сигналов можно выбрать с помощью переключателя передач, а затем независимо выводить через потенциометр регулировки амплитуды для достижения цели выбора сигнала и регулировки амплитуды.
III Конструкция U nit C ircuit 3.1 Sine W ave G G enerating Синусоидальная волна Схема генерации должна не только генерировать синусоидальный сигнал требуемого выхода, но также и входной сигнал следующей схемы. В этой части схемы используется типичный RC-мостовой синусоидальный колебательный контур, как показано на рисунке 3, он состоит из двух частей: цепи усиления и схемы выбора частоты.Операционный усилитель — это ядро, образующее звено усиления. Сеть, состоящая из последовательно включенных резистора R 1 и конденсатора C 1 , резистора R 2 и конденсатора C 2 , включенных параллельно, представляет собой RC-цепочку последовательно-параллельной выборки частоты. Схема выбора частоты также представляет собой цепь положительной обратной связи, обеспечивающую нулевой сдвиг фазы и образующую синфазный усилитель. R 3 и R 4 — это глубокая отрицательная обратная связь для получения хорошей формы выходного сигнала.Если R 1 = R 2 = R, C 1 = C 2 = C, то центральная частота сети выбора частоты равна f 0 = 1 / (2π RC). Когда схема работает на этой частоте, коэффициент обратной связи наибольший и составляет | F | макс = 1/3. Согласно условиям генерации коэффициент усиления по напряжению схемы усилителя должен быть не менее 3А | ( 4 рэнд + 3 рэнд) / 4 рэнд |. Следовательно, чтобы обеспечить колебание контура, требуется R 3 > 2R 4 .Рисунок 3. Цепь колебаний RC-моста
В практических приложениях для регулировки частоты и коэффициента усиления усилителя можно использовать схему, показанную на рисунке 4. Среди них: R 3 ~ R 5 и диоды D 1 , D 2 образуют цепь отрицательной обратной связи и звено стабилизации амплитуды. Регулировка RV 3 может изменить коэффициент обратной связи отрицательной обратной связи, тем самым регулируя усиление напряжения схемы усилителя, чтобы соответствовать условиям репликации колебаний.
Рисунок 4. Цепь моделирования колебаний RC
Ввиду большого диапазона частот сигнала от 20 Гц до 20 кГц для регулировки используются две группы по три конденсатора каждая с разной емкостью в 10 раз и два коаксиальных потенциометра. Выберите разные конденсаторы для грубой настройки частоты колебаний f 0 и используйте коаксиальный потенциометр для точной настройки f 0 . Значения сопротивления, соответствующие разным емкостям и частотам колебаний f 0 , показаны в таблице 1.
Таблица 1. Соответствие между частотой колебаний f 0 и сопротивлением и емкостью
Из таблицы 1 видно, что каждая комбинация емкости и сопротивления может регулировать определенный диапазон частот, и эти три диапазона пересекаются, поэтому частоту можно непрерывно регулировать. Если вы хотите сгенерировать сигнал от 200 Гц до 2 кГц, вы можете установить конденсатор на 33 нФ, а затем отрегулировать RV 1 и RV 2 , чтобы сопротивление было последовательно с R 1 и R 2 измените значение между 24 кОм и 2.4 кОм.
3,2 Square W ave G enerating C ircuitГенераторная схема прямоугольной формы относительно проста. Инвертирующий вход операционного усилителя LM324 заземлен. Неинвертирующий вход подключен к выходу схемы генерации синусоидальной волны для формирования компаратора перехода через ноль, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5.Схема генерации прямоугольной волны
Когда входной синусоидальный сигнал sin изменяется между положительным и отрицательным полупериодами, на выходе получается прямоугольный сигнал squ с фиксированной амплитудой, синфазный с синусоидальной волной.
3,3 Треугольник W ave G enerating C ir circuitГенераторная схема треугольной формы использует RC-интегральную схему, показанную на рисунке 6. операционный усилитель U 1: C , C 3 / C 3 ′ / C 3 ″, R 7 и RV 4 .
Рисунок 6. Схема генерации треугольных волн
Прямоугольный сигнал squ подключен к инвертирующему входу усилителя через R 7 и RV 4 , а выходной сигнал представляет собой треугольный сигнал trii, генерируемый интегральным преобразованием RC-цепи, состоящей из R 7. , RV 4 и C 3 / C 3 ′ / C 3 ″. C 3 , C 3 ‘, C 3 ″ выбираются переключателем диапазона (этот переключатель должен быть синхронизирован с переключателем диапазона выбранной частотной сети) для изменения интегральной постоянной времени схемы на другой частоте. группы.Потенциометр RV 4 позволяет регулировать амплитуду выходного сигнала. Чтобы получить треугольную волну с хорошей линейностью, для ограничения отрицательной обратной связи используется резистор R 8 , а при выборе параметров компонентов постоянная времени интегрирующей цепи τ = RC должна быть больше половины периода квадрата волновой сигнал (ширина прямоугольной волны). Если частота сигнала составляет 100 Гц, ширина прямоугольной волны составляет 0,005 с. Если C = 1 мкФ, то R> 5 кОм.
IV Моделирование и тестирование схемыНарисуйте каждую часть схемы, показанной на рисунках 4–6 в Proteus. Три части схемы соединяются в соответствии с соотношением, показанным на рисунке 2. Затем подключите выход каждой части схемы к виртуальному осциллографу и запустите моделирование. Вы можете наблюдать форму сигнала моделирования на рисунке 7. В процессе моделирования необходимо отметить несколько проблем: Согласно теоретическим расчетам, схема генерации синусоидальной волны может начать вибрировать, когда коэффициент усиления усилителя больше 3, но иногда В реальном процессе моделирования возникает явление отсутствия вибрации.
Помехи добавлены, чтобы решить эту проблему, как показано на рисунке 4, источник питания -9 В, подробности см. В литературе. Для изменения полосы частот используются три группы конденсаторов C 1 / C 1 ′ / C 1 ″, C 2 / C 2 ′ / C 2 ″, C 3 / C 3 ′ / C 3 ″ необходимо изменить одновременно, иначе не будет вибрации или форма волны будет искажена. Потенциометры RV 1 и RV 2 должны быть настроены на одинаковое сопротивление.Отрегулируйте RV 3 , чтобы амплитуда выходной синусоидальной волны достигала максимального неискаженного состояния. RV 4 может регулировать амплитуду выходной треугольной волны. Путем экспериментального тестирования схемы на осциллографе можно наблюдать три идеальных формы сигнала. Следует отметить, что: переключатели SW 1 , SW 2 и SW 3 должны использовать трехпозиционный переключатель с более чем 3 группами. RV 1 , RV 2 используйте для настройки коаксиальные потенциометры.Выходной сигнал может выводиться параллельно в одно и то же время, или он может выводиться отдельно через потенциометр (для регулировки амплитуды сигнала) через переключатель выбора. Кроме того, во время тестирования не требуется отключать питание.
Рис. 7. Форма волны моделирования, полученная в Proteus
.FAQ
LM324 представляет собой микросхему Quad op-amp , интегрированную с четырьмя операционными усилителями, питаемыми от общего источника питания.Диапазон дифференциального входного напряжения может быть равен диапазону напряжения источника питания. … Как правило, операционные усилители могут выполнять математические операции. |
LM324 имеет дополнительный выход, а LM339 — открытый коллектор. В дополнительном выходе ток может течь в любом направлении по мере необходимости (источник или сток), в то время как выход с открытым коллектором может только принимать ток. |
Операционные усилители — это линейные устройства, которые обладают всеми свойствами, необходимыми для почти идеального усиления постоянного тока, и поэтому широко используются для преобразования сигналов, фильтрации или для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование. |
LM324 IC Applications Приложения IC LM324 включают следующее.Используя эту ИС, можно очень просто реализовать обычные приложения для операционных усилителей. Эта ИС может использоваться как генераторы, выпрямители, усилители, компараторы и т. Д. |
Прочитав этот блог, вы лучше понимаете LM324? Если у вас есть какие-либо мысли о LM324, не стесняйтесь сообщить нам об этом в разделе комментариев!
Простая схема генератора синусоидальной волны с использованием транзистора
Ранее мы построили простую схему генератора прямоугольной волны, сегодня в этом уроке мы собираемся показать вам , как сгенерировать синусоидальную волну , используя несколько основных компонентов, таких как транзистор, резистор и конденсатор. Синусоидальная волна чаще всего известна как форма волны переменного тока. В этой схеме мы также построим переменную форму волны, мы сможем регулировать частоту или уменьшить шум синусоидальной волны, просто изменяя номинал конденсаторов и резисторов.
Необходимые компоненты- 2N2222 NPN-транзистор
- Осциллограф
- Резистор (510, 1 кОм, 10 кОм и 2 кОм)
- Конденсаторы (90 нФ, 100 нФ и 200 нФ)
- Питание 12 В
- Соединительные провода
Если вы видите изображение соединений на макетной плате ниже, вы найдете больше конденсаторов, чем показано на принципиальной схеме выше.Это потому, что мы подключили несколько конденсаторов последовательно и параллельно, чтобы получить требуемые номиналы конденсаторов, показанные на принципиальной схеме. Также можно использовать любой NPN-транзистор вместо указанного в схеме. Также вы можете изменить номинал резистора и конденсатора, чтобы изменить уровень частоты.
Работа цепи генератора синусоидальной волны:Здесь мы подаем на схему 12 В, и мы не можем подавать его напрямую на транзистор.Итак, для этого мы используем резисторы R1 и R2, составляя схему делителя напряжения для смещения транзистора Q1. Мы использовали транзистор типа NPN, который проводит ток или смещается в прямом направлении только тогда, когда на его базовый вывод подается положительный сигнал, в противном случае он остается открытым или смещенным в обратном направлении.
Пара из трех резисторов (R3, R5 и R6) и конденсатора (C1, C2 и C3) образует RC-генераторную цепь . Это тип генератора обратной связи, который состоит из усилительного устройства, такого как транзистор, который используется в нашей схеме, или мы также можем использовать операционный усилитель.
Изначально вход RC-цепи — постоянный ток, но после первого переключения он преобразуется в синусоидальную волну, а затем остается в синусоиде.
Мы использовали три конденсатора, каждый конденсатор дает 60 градусов фазового сдвига. Итак, общий фазовый сдвиг, который мы получаем, составляет 180 градусов, что требуется для синусоидальной волны.
В RC-генераторе часть выходной энергии возвращается на его вход, для получения положительной обратной связи положительная обратная связь помогает амплитуде выходного сигнала оставаться стабильной.Следовательно, выход RC-цепи представляет собой синусоидальную волну с фазовым сдвигом 180 градусов, которая подается на транзистор, и здесь транзистор работает как усилитель, который усиливает синусоидальную волну, и мы получили ее на выходном контакте.
Конденсатор C5 действует как конденсатор связи, который блокирует постоянный ток и пропускает через него только синусоидальную волну, а резистор R4 ограничивает ток коллектора.
Генератор синусоидальной волны с использованием 4047 ICМы также можем использовать IC 4047 для генерации синусоидальной волны.Эта ИС обычно используется в схеме инвертора, и мы ранее сделали генератор прямоугольной волны, используя эту ИС, добавив несколько резисторов и конденсаторов в предыдущую схему, мы можем получить синусоидальную волну с IC 4047, как показано на схеме ниже:
Ниже приведена небольшая схема, которую нам нужно добавить в наш генератор прямоугольной волны, чтобы преобразовать прямоугольную волну в синусоидальную волну.
7.4: Генерация функций — Разработка LibreTexts
Цепи генерации функций используются для создания произвольных передаточных характеристик.Их можно использовать для различных целей, включая линеаризацию преобразователя и формирование синусоиды. Действительно, многие современные лабораторные генераторы сигналов не создают синусоидальную волну напрямую; скорее, они генерируют треугольную волну и пропускают ее через функциональную схему, которая затем генерирует желаемую синусоидальную волну. По сути, функциональная схема дает разное усиление для разных частей входного сигнала. Его форма отражается на форме входного сигнала. Если в функциональную цепь подается «прямолинейный» сигнал, такой как пилообразный или треугольный, результирующий выходной сигнал будет иметь поразительное сходство с передаточной кривой схемы.(Этот эффект может быть хорошо использован при исследовании функциональных схем с помощью компьютерного моделирования.)
В принципе, существует два способа создания функциональной схемы с операционным усилителем. Первый способ — это расширение схемы стабилитрона-ограничителя. Вторая форма основана на схеме с диодом со смещением. В обоих случаях базовая схема представляет собой инвертирующий усилитель напряжения. Кроме того, оба метода позволяют наклону результирующей передаточной кривой увеличиваться или уменьшаться в определенных точках излома и скоростях.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Простой генератор функций.
Простая функциональная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Обратите внимание, что он очень похож на ограничитель на рис. 7.27. Единственное отличие — это включение \ (R_a \). Ниже потенциала Зенера коэффициент усиления схемы по-прежнему устанавливается как \ (R_f \). Когда в конечном итоге достигается стабилитрон, диоды больше не могут принудительно устанавливать неизменное значение на выходе, поскольку \ (R_a \) последовательно с ними. Вместо идеального шунта через \ (R_f \), как в ограничителе, Rf эффективно соединяется с \ (R_a \).Другими словами, как только потенциал Зенера достигается, коэффициент усиления падает до \ ((R_f || R_a) / R_i \). Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Точнее, изменение усиления не такое резкое, как это приближение. В действительности кривая передачи более плавная и несколько запаздывающая, что показано пунктирной линией.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): передаточная характеристика (уменьшение крутизны).
Чтобы добиться увеличения крутизны, комбинация стабилитрон / резистор размещается параллельно с Ri.Когда достигается потенциал стабилитрона, \ (R_a \) будет эффективно параллельно \ (R_i \), уменьшая усиление. Это имеет нежелательный побочный эффект в виде уменьшения входного импеданса, поэтому может потребоваться включить входной буфер. Пример схемы и результирующая передаточная кривая показаны на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \): Простой генератор функций, увеличивающий усиление.
Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \): Передаточная характеристика, возрастающий наклон.
Если требуется более двух наклонов, можно параллельное соединение нескольких комбинаций стабилитрона / резистора. Этот метод можно использовать для создания кусочно-линейной аппроксимации желаемой передаточной характеристики. Двухсекционная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Обратите внимание, как резисторы постоянно размещаются параллельно, что снижает коэффициент усиления. Если этот многосекционный метод используется со схемой, такой как показанная на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), усиление увеличится.
Рисунок \ (\ PageIndex {4a} \): Генератор многосекционных функций.
Рисунок \ (\ PageIndex {4b} \): Передаточная характеристика для многосекционного генератора.
Пример \ (\ PageIndex {1} \)
Для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \) нарисуйте ее передаточную кривую.
Первый шаг — отметить точки излома на кривой. Поскольку в этой схеме используется схема убывающего усиления с диодами на \ (R_f \), точки выхода устанавливаются потенциалами Зенера. Также обратите внимание, что точки излома симметричны относительно нуля, поскольку используются идентичные диоды.
\ [V_ {break} = \ pm (V_z + 0,7V) \ notag \]
\ [V_ {break} = \ pm (3,9 В + 0,7 В) \ notag \]
\ [V_ {break} = \ pm 4.6 V \ notag \]
Следующим параметром, который необходимо определить, является усиление базового напряжения. Это коэффициент усиления без эффекта стабилитрона / резистора.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): генератор функций для примера \ (\ PageIndex {1} \).
\ [A_v = \ frac {−R_f} {R_i} \ notag \]
\ [A_v = \ frac {-20 k} {5 k} \ notag \]
\ [A_v = −4 \ notag \]
Усиление второго уровня происходит, когда диоды включены, когда \ (R_a \) размещается параллельно с \ (R_f \).
\ [A_ {v2} = \ frac {−R_f || R_a} {R_i} \ notag \]
\ [A_ {v2} = \ frac {−20 k || 10 k} {5 k} \ notag \]
\ [A_ {v2} = −1.33 \ notag \]
Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Передаточная характеристика схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).
Полученный график показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Чтобы найти точку излома для входного сигнала (в этом случае обнаруживается только разрыв выхода), необходимо разделить разрыв выхода на наклон передаточной кривой.Для выхода 4,6 В входной сигнал будет в 4 раза меньше при 1,15 В. Если используется несколько секций, изменения, связанные с каждой секцией, добавляются, чтобы найти соответствующий входной сигнал. Если схема является схемой с увеличивающимся усилением (как на рисунке \ (\ PageIndex {3} \)), то точки разрыва входа известны, а точки выхода находятся путем умножения на наклон. Оба эти элемента показаны в следующем примере.
Пример \ (\ PageIndex {2} \)
Нарисуйте передаточную кривую для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Многосекционная схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).
Все пары диодов идентичны, поэтому симметрия сохраняется. При осмотре точки останова на входе:
\ [V_ {break1-in} = 1,0 В + 0,7 В = 1,7 В \ notag \]
\ [V_ {break1-in} = 2,2 В + 0,7 В = 2,9 В \ notag \]
Базовый прирост
\ [A_v = — \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]
\ [A_v = — \ frac {12 k} {10 k} \ notag \]
\ [A_v = -1.2 \ notag \]
Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Характеристика многосекционной схемы на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).
Прирост второго уровня —
\ [A_ {v2} = — \ frac {R_f} {R_i || R_a} \ notag \]
\ [A_ {v2} = — \ frac {12 k} {10 k || 20 k} \ notag \]
\ [A_ {v2} = −1.8 \ notag \]
Прирост третьего уровня —
\ [A_ {v3} = — \ frac {R_f} {R_i || R_a || R_b} \ notag \]
\ [A_ {v3} = — \ frac {12 k} {10 k || 20 k || 15 k} \ notag \]
\ [A_ {v3} = −2.6 \ notag \]
Соответствующие выходные перерывы:
\ [V_ {break1-out} = A_v V_ {break1-in} \ notag \]
\ [V_ {break1-out} = −1,2 × 1,7 \ notag \]
\ [V_ {break1-out} = −2,04 В \ notag \]
\ [V_ {break2-out} = V_ {break1-out} + A_ {v2} (V_ {break2-in} — V_ {break1-in} ») \ notag \]
\ [V_ {break2-out} = −2,04 В + (- 1,8) × (2,9 В − 1,7 В) \ notag \]
\ [V_ {break2-out} = −4,2 В \ notag \]
Полученная кривая показана на рисунке \ (\ PageIndex {8} \).{\ circ} \) в большом диапазоне температур.
Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Отклик датчика температуры для примера \ (\ PageIndex {3} \).
Прежде всего, чтобы компенсировать возрастающую кривую, требуется спадающая кривая зеркального отображения. Для схемы потребуется только одна диодная секция; однако он не будет симметричным. Положительный разрыв происходит при 30 градусах (3 В), а отрицательный разрыв происходит при -40 градусах (-4 В). В этом диапазоне коэффициент усиления останется равным единице.{\ circ} \), его нужно умножить на обратную величину — выигрыш 8/10. Требуемая кривая передачи показана на рисунке \ (\ PageIndex {10} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): желаемая кривая передачи для примера \ (\ PageIndex {3} \).
Если \ (R_f \) и \ (R_i \) произвольно выбраны равными 10 k \ (\ Omega \), результирующая комбинация \ (R_a || R_f \) должна быть 8 k \ (\ Omega \), чтобы добиться этого выигрыша. \ (R_a \) тогда можно найти:
\ [R_a || R_f = 8 к \ нотаг \]
\ [\ frac {1} {R_a} + \ frac {1} {10 k} = \ frac {1} {8 k} \ notag \]
\ [R_a = 40 к \ нотаг \]
Поскольку точки излома уже определены как 3 и -4 В соответственно, все, что нужно сделать, это компенсировать прямое падение другого диода.
\ [V_ {z +} = 3 В — 0,7 В \ notag \]
\ [V_ {z +} = 2,3 В \ notag \]
\ [V_ {z-} = — (4 В — 0,7 В) \ notag \]
\ [V_ {z-} = −3,3 V \ text {(использовать абсолютное значение)} \ notag \]
Поскольку эта схема инвертирует сигнал, может быть целесообразно включить инвертирующий буфер для компенсации. Полученная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {11} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Схема коррекции для преобразователя в примере \ (\ PageIndex {3} \).
Одна из проблем с формой стабилитрона заключается в том, что передаточные кривые медленно меняют наклон. Из-за этого не так-то просто получить точный контроль над формой. Следовательно, во время проектирования иногда требуется много проб и ошибок. Кроме того, доступен ограниченный диапазон значений стабилитрона. В более точной форме используется схема с диодом со смещением.
Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Функциональный генератор смещения диода.
Схема увеличивающейся функции усиления, использующая метод смещения диодов, показана на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).Соответствующая ему передаточная кривая показана на рисунке \ (\ PageIndex {13} \). Для каждой точки излома требуется один диод и пара резисторов. Даже если точки излома симметричны для положительных и отрицательных входов, для каждой полярности потребуется один набор компонентов. Основная концепция такая же, как у подхода Зенера; при включении секций с все более высоким входным напряжением резисторы будут размещены параллельно с резисторами обратной связи базы, тем самым изменяя коэффициент усиления. Как и в случае с подходом Зенера, характеристика убывающего усиления формируется путем размещения сети поперек \ (R_f \) вместо \ (R_i \).Давайте посмотрим, как реагирует отдельный раздел.
Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Передаточная характеристика смещенного диодного функционального генератора.
Для каждой точки останова требуется блокирующий диод, резистор усиления и резистор смещения. Резисторы \ (R_2 \) и \ (R_3 \) вместе с диодом \ (D_1 \) составляют единую секцию для отрицательных входных напряжений. В условиях низкого уровня сигнала \ (D_1 \) выключен и блокирует прохождение тока. Фактически, секция представляет собой разомкнутую цепь. Если входной потенциал становится достаточно отрицательным, включается \ (D_1 \), тем самым помещая \ (R_2 \) параллельно с \ (R_1 \) и увеличивая коэффициент усиления.Наклон (усиление) передаточной кривой:
\ [\ text {Slope} = — \ frac {R_f} {R_1 || R_2} \ notag \]
Точка разрыва возникает, когда на катоде \ (D_1 \) падает примерно -0,7 В (с учетом кремния). На этом этапе перепад высоты \ (R_3 \) должен быть
.\ [V_ {R_3} = V_ {CC} + 0,7 В \ notag \]
Перепад на \ (R_2 \) должен быть
\ [V_ {R_2} = V_ {дюйм} — 0,7 В \ notag \]
Прямо перед тем, как \ (D_1 \) станет проводником, ток через \ (R_2 \) должен быть равен току через \ (R_3 \).
\ [\ frac {V_ {R_3}} {R_3} = \ frac {V_ {R_2}} {R_2} \ notag \]
\ [\ frac {V_ {CC} + 0,7 В} {R_3} = \ frac {V_ {in} — 0,7 В} {R_2} \ notag \]
В этот момент \ (V_ {in} \) равно точке останова. Решение относительно \ (V_ {in} \) дает
\ [V_ {in} = V_ {точка останова} = R_2 R_3 (V_ {CC} + 0,7 В) + 0,7 В \ notag \]
или в грубом приближении
\ [V_ {точка останова} \ приблизительно \ frac {R_2} {R_3} V_ {CC} \ notag \]
Ошибка аппроксимации может быть минимизирована использованием германиевых диодов.Обратите внимание, что, поскольку точки излома устанавливаются соотношением резисторов, возможен очень жесткий контроль кривой. При проектировании функциональной схемы требуемые наклоны определяют номиналы резисторов усиления. Для простоты использования потенциалы смещения установлены на положительную и отрицательную шины питания. Зная эти элементы и требуемые напряжения в точке излома, можно рассчитать необходимые значения резистора смещения.
Компьютерное моделирование
Моделирование с использованием техники смещенного диода представлено на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).Здесь схема была разработана так, чтобы отображать ответ, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {16} \) из примера \ (\ PageIndex {1} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {14a} \): Синтезатор смещенных диодных функций в Multisim.
Рисунок \ (\ PageIndex {14b} \): Формы сигналов функционального синтезатора.
Обратите внимание, что здесь используются те же значения для резисторов обратной связи, что и в версии схемы со стабилитроном. Единственный новый расчет был для резисторов смещения (40.3 k \ (\ Omega \)), чтобы установить выходные точки останова. Чтобы четко увидеть эффект усиления, в качестве входа используется треугольная волна. Поскольку форма входного сигнала состоит из красивых, прямых диагональных линий, характеристика усиления будет отражена в форме выходного сигнала. Это очевидно на графике анализа переходных процессов. Обращает на себя внимание инверсия сигнала, но более интересным и важным моментом является изменение наклона, которое происходит, когда выходной сигнал достигает примерно 4,5 вольт. Это примерно то место, где была рассчитана выходная точка останова, и снижение усиления выше этой точки вполне очевидно.
.