Транзистор в генераторе синусоидальных колебаний

RC-генератор синусоидальных сигналов с регулировкой частоты одним потенциометром

Дано описание RC-генераторов синусоидальных сигналов с использованием сбалансированных симметричных резистивно-емкостных мостов и двух операционных усилителей, что позволяет регулировать частоту генерации одним потенциометром. Для обеспечения работы генераторов соотношение активных и реактивных сопротивлений плеч резистивно-емкостных мостов должно быть одинаково и иметь значение не менее 2.5.

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

Для получения периодических низкочастотных колебаний синусоидальной формы используют RC-генераторы нерегулируемой и регулируемой частоты. К генераторам первого вида относят автогенераторы с лестничной многозвенной фазосдвигающей RC-цепью (R- или С-параллель). Как несложно заметить, очевидным недостатком таких генераторов является невозможность регулирования частоты простыми средствами, что резко ограничивает область практического применения подобных генераторов.

В 1891 г. немецкий физик Макс Вин (Max Wien, 1866–1938) для измерения импедансов электрических цепей предложил пассивный четырёхполюсник на основе RC-фильтров верхних и нижних частот (мост Вина). 11 июля 1939 г. американец Уильям Реддингтон Хьюлетт (William Reddington Hewlett, 1913–2001) подал заявку на изобретение и 6 января 1942 г. получил патент США № 2268872 на «Перестраиваемый генератор звуковой частоты». Это был первый низкочастотный перестраиваемый генератор на RC-элементах [1].

Рисунок 1. Схемы RC-мостов, которые могут быть использованы в генераторах синусоидального
напряжения.

Теоретические обоснования и условия возбуждения незатухающих синусоидальных колебаний в RC-генераторах рассмотрены в работах [2–4].

Современные RC-генераторы с возможностью плавной перестройки частоты выполняют с использованием моста Вина (Вина – Робинсона), Рисунок 1а; одинарного или двойного Т-образных мостов, Рисунок 1б, а также с использованием квадратурных генераторов [2, 3], фазовращателей на операционных усилителях, функциональных генераторов [5–7]. Во всех этих случаях для регулировки частоты используют сдвоенный потенциометр.

Проблему создания RC-генератора синусоидальных сигналов с регулировкой частоты одним потенциометром удалось решить за счет использования сбалансированного симметричного резистивно-емкостного моста, Рисунок 1в, плечи которого состоят из последовательно включенных резисторов и конденсаторов, причем соотношение активных и реактивных сопротивлений плеч равно и должно иметь значение не менее 2.5.

Рисунок 2. RC-генератор синусоидального напряжения с использованием
сбалансированного симметричного резистивно-емкостного
моста.

Плечо моста низкого активно-реактивного сопротивления подключено к выходу первого операционного усилителя, Рисунки 2 и 3, а высокого – к выходу второго операционного усилителя. Диагональ моста емкостного плеча присоединена к инвертирующему входу первого усилителя, а резистивного плеча – к инвертирующему входу второго усилителя. Между входом и выходом первого операционного усилителя включен потенциометр, регулирующий частоту генерации. Инвертирующие входы усилителей соединены с общей шиной.

Рисунок 3. Вариант схемы RC-генератора синусоидального напряжения.

Генератор, Рисунок 2, выполнен на элементах DA1.1 и DA1.2 микросхемы LM324. При выполнении условия

генератор при регулировке потенциометра R1 вырабатывает сигнал синусоидальной формы частотой от 0.3 до 1 кГц. Частоту генерации можно определить из выражения:

Коэффициент нелинейных искажений зависит от точности балансировки моста и с ростом частоты меняется в пределах от 0.6 до 2.2%. Амплитуда выходных сигналов в тех же условиях снижается от 10.9 до 8.4 В.

На Рисунке 3 показана модифицированная схема генератора, отличающаяся наличием дополнительного конденсатора C1. Генератор работает в диапазоне частот от 1 до 4.8 кГц, причем коэффициент нелинейных искажений с ростом частоты меняется в пределах от 0.6 до 1.8%. Амплитуда выходных сигналов во всем диапазоне частот не изменяется и составляет 10.9 В.

В качестве RC-комплектующих генераторов следует использовать прецизионные элементы. Для генератора, Рисунок 3, для минимизации коэффициента нелинейных искажений конденсатор C1 получают путем параллельного включения двух-трех конденсаторов – постоянной и переменной (подстроечной) емкости. При разбалансе моста генераторы переходят либо в режим генерации релаксационных колебаний низкой частоты, либо амплитуда синусоидального сигнала быстро затухает во времени.

Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ

Всем доброго времени суток! В предыдущих двух статьях я рассказал о построении генераторов на основе ОУ (статья про мультивибраторы здесь, про генераторы треугольного напряжения здесь). Ещё одним видом сигнала, который используются в радиотехнике и электронике является синусоидальный сигнал.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для формирования синусоидального сигнала применяются различные схемы генераторов и формирователей, рассмотрение которых в данной статье не представляется возможным.

Как происходит формирование синусоидальных колебаний?

Любой генератор (не только синусоидальных колебаний) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из усилителя и селективной цепи (частотно-избирательная цепь). Причем селективная цепь включена в цепь ПОС (положительная обратная связь) усилителя, где могут быть включены дополнительные усилители.

Допустим, на вход селективной цепи поступает сигнал, состоящий из большого количества синусоидальных колебаний (гармоник). Проходя через селективную цепь, колебания ослабляются (происходит уменьшение амплитуды) в различной степени, а также происходит изменение фазы данных колебаний. В результате на вход усилителя с выхода селективной цепи поступают синусоидальные сигналы с различными уровнями амплитуды и фазовыми сдвигами, где происходит их усиление для компенсации ослабления селективной цепью.

Так как селективная цепь пропускает без изменения фазы только гармонику определённой частоты, то после усилителя на вход селективной цепи поступит та же гармоника с такой же амплитудой и фазой, которую пропускает селективная цепь, а остальные гармоники будут с изменёнными амплитудами и фазами сигнала. В результате сложения исходного сигнала и сигнала поступающего с выхода усилителя только у гармоники, на частоту которой настроена частотно-избирательная цепь, будет происходить значительное увеличение амплитуды.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что петлевое усиление схемы должно быть не меньше единицы (в идеальном случае равно 1), а полный фазовый сдвиг схемы равен нулю.

Схем генераторов синусоидальных или как их ещё называют гармонических колебаний, существует большое количество, рассмотреть которые в одной статье не представляется возможным. Поэтому ограничимся лишь некоторыми из них, которые построены на ОУ и RC-цепочках.

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина или просто генератор Вина является одним из самых распространённых RC-генераторов синусоидальных колебаний. Схема данного генератора показана на рисунке ниже

Генератор на ОУ с мостом Вина

Схема генератора Вина на основе ОУ.

Генератор Вина состоит из ОУ DA1, который охвачен ООС (отрицательная обратная связь) посредством резисторов R1 и R2, а также ПОС (положительная обратная связь) с помощью частотно-избирательной цепи R3C1R4C2.

Частотно-избирательная цепь R3C1R4C2 называется мостом Вина, от названия которого и получил наименование генератор данного типа. Данный мост состоит из последовательно включённых дифференцирующей цепи R4C2 и интегрирующей цепи R3C1. Как известно для генерирования сигнала мост Вина должен обеспечить нулевой фазовый сдвиг сигнала. Это обеспечивается равенством постоянной времени интегрирующей цепи R3C1 и дифференцирующей цепи R4C2

Тогда частота, при которой будет сдвиг фаз равный нулю, определяется следующим выражением

0406201602

При данном условии коэффициент передачи цепи ПОС будет равен 1/3. Поэтому для того чтобы компенсировать данное условие коэффициент передачи цепи ООС должен быть равен 3, то есть

0406201603

Генератор с мостом Вина обеспечивает выходной синусоидальный сигнал с небольшими искажениями – порядка 0,05 %. Однако у данного типа генератора существует серьёзная проблема в том, что для получения качественного синусоидального сигнала необходимо обеспечить точные соотношения резисторов в цепи ООС R1 и R2, то есть обеспечить коэффициент передачи цепи равный трём (β = 1/3). Так если β < 1/3 то возникшие колебания будут с сильными искажениями, а в случае β > 1/3 даже если и возникнут колебания их амплитуда будет постепенно уменьшаться и со временем станет равной нулю. Поэтому для стабилизации работы генератора Вина применяют различные автоматические системы стабилизации амплитуды.

Читайте также  Автомат ввода резерва для генераторов что это

Улучшение параметров генератора Вина

Как указывалось выше оптимальное значение коэффициента передачи ООС (β = 1/3) обеспечить практически невозможно, поэтому применяют системы автоматической стабилизации амплитуды. Данная система работает так чтобы воздействовать на коэффициент передачи схемы и при заданной частоте стабилизировать колебания при небольших искажениях.

В основе систем стабилизации амплитуды лежат свойство нелинейных элементов под действием напряжения изменять своё внутренне сопротивление. Одна из простейших схем стабилизации содержит два полупроводниковых диода включённых в цепь ООС

Схема генератора Вина на ОУ с простейшей системой автоматической стабилизации амплитуды.

Схема генератора Вина на ОУ с простейшей системой автоматической стабилизации амплитуды.

В данной схеме последовательно с резистором обратной связи R2 включены два диода VD1VD2 по встречно-параллельной схеме, чем обеспечивается стабилизация амплитуды положительной и отрицательной полуволн синусоидального сигнала.

Как известно p-n-переход диода имеет динамическое сопротивление, имеющее обратную зависимость от протекающего через диод тока

0406201604

где 26 (мВ) – температурный потенциал p-n-перехода,

IД (А) – мгновенное значение тока протекающего через диод.

Таким образом, коэффициент передачи цепи ООС будет определяться следующим выражением

0406201605

При возрастании амплитуды выходного напряжения, ток, протекающий через диод, увеличивается, как следствие уменьшается динамическое сопротивление диода, и возрастает коэффициент передачи цепи ООС, тем самым уменьшая амплитуду выходного напряжения.

При реализации данной схемы величину резистора R2 следует брать несколько меньшей, чем в схеме без стабилизации амплитуды, чтобы β < 1/3, тем самым создаются условия для гарантированного возникновения колебаний.

Генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающими RC-цепями

Ещё одним видом генератора синусоидальных колебаний является генератор на фазосдвигающих цепочках. Схем генератора данного типа существует несколько разновидностей, в их основе лежат лестничные RC-цепи, которые обеспечивают сдвиг фазы для генерируемой частоты на 180°. Что с учётом инвертирующего усилителя, который также обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180°, получаем суммарный сдвиг фазы сигнала 0°. Количество звеньев лестничной цепи может быть любое количество, но не менее трёх.

Генератор синусоидальных колебаний на фазосдвигающих цепочках.

Генераторы синусоидальных колебаний на фазосдвигающих цепочках.

Так же как и в случае с мостом Вина лестничные цепи ослабляют сигнал, поэтому коэффициент усиления ОУ должен компенсировать данное ослабление. Чтобы не углубляться в вывод расчётных формул приведу основные соотношения в различных типах генераторах со сдвигающими лестничными цепями.

Для схемы на рисунке А

0406201606

Для схемы на рисунке Б

0406201607

Для схемы на рисунке В

0406201608

Так же как и в генераторе Вина основной проблемой является обеспечение стабильности амплитуды. Решением данной проблемы является использование в схеме автоматической стабилизации амплитуды путём введения нелинейных сопротивлений в цепь ООС ОУ. Простейшим таким стабилизатором амплитуды является сборка из двух встречно-паралелльных полупроводниковых диодов

Схема генератора на фазосдвигающих цепочках с амплитудным ограничителем в цепи ООС.

Схема генератора на фазосдвигающих цепочках с амплитудным ограничителем в цепи ООС.

Кроме показанных генераторов синусоидальных сигналов в современной электронике находят применения методы выделения нужного синусоидального колебания из более сложного, например, из треугольного или прямоугольного посредством разложения его в ряд Фурье. Однако данная тема более сложная в изучении и поэтому является темой другой статьи, которая обязательно появится на моём блоге.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

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.

Принципиальная схема генератора синусоидального сигнала со стабильной амплитудой

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.

Осциллограмма сигнала - выход DA4

Рис. 2. Осциллограмма сигнала — выход DA4.

Осциллограмма сигнала - вывод 3 DA2

Рис. 3. Осциллограмма сигнала — вывод 3 DA2.

Осциллограмма сигнала - вывод 1 DA3

Рис. 4. Осциллограмма сигнала — вывод 1 DA3.

Осциллограмма сигнала - вывод 3 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.

Читайте также  Аккумулятор для генератора 6dm18

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.

Генераторы синусоидальных колебаний

Генератор электрических колебаний, — это нели­нейное устройство, преобразующее энергию источ­ника постоянного тока в энергию колебаний. Гене­раторы широко используются в электронике: в ра­диоприемниках и телевизорах, в системах связи, компьютерах, промышленных системах управления и устройствах точного измерения времени.

Генератор — это электрическая цепь, которая ге­нерирует периодический сигнал переменного тока. Частота сигнала может изменяться от нескольких герц до многих миллионов герц. Выходное напря­жение генератора может быть синусоидальным, пря­моугольным или пилообразным в зависимости от типа генератора.

Когда колебательный контур возбуждается вне­шним источником постоянного тока, в нем возни­кают колебания. Эти колебания являются затухаю­щими, поскольку активное сопротивление колеба­тельного контура поглощает энергию тока. Для под­держания колебаний в колебательном контуре по­глощенную энергию необходимо восполнить. Это осуществляется с помощью положительной обрат­ной связи. Положительная обратная связь — это по­дача в колебательный контур части выходного сиг­нала для поддержки колебаний. Сигнал обратной связи должен совпадать по фазе с сигналом в коле­бательном контуре.

На (рис. 12.34) изображена блок-схема генерато­ра. Генератор можно разбить на три части. Частотозадающей цепью генератора обычно является LC ко­лебательный контур. Усилитель увеличивает амп­литуду выходного сигнала колебательного контура. Цепь обратной связи подает необходимое количество энергии в колебательный контур для поддерж­ки колебаний. Таким образом, генератор — это схе­ма с обратной связью, которая использует постоян­ный ток для получения колебаний переменного тока

Генераторы, синусоидальных колебаний — это генераторы, которые генерируют напряжение сину­соидальной формы. Они классифицируются соглас­но их частотозадающим компонентам. Тремя основ­ными типами генераторов синусоидальных колеба­ний являются LC генераторы, кварцевые генерато­ры и RC генераторы.

LC генераторы используют колебательный кон­тур из конденсатора и катушки индуктивности, со­единенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. Кварцевые генераторы подобны LC генераторам, но обеспечивают более высокую стабильность колеба­ний. LC генераторы и кварцевые генераторы исполь­зуются в диапазоне радиочастот. Они не подходят для применения на низких частотах. На низких частотах используются RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.

LC генераторы

Основными типами LC генераторов являются ге­нератор Хартли и генератор Колпица. На (рис. 12.35) изображен генератор Хартли. Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения отвода катушки L1. Выходной сигнал снимается с катуш­ки связи L3.

На (рис. 12.36) изображен генератор Колпитца. Ве­личина обратной связи в схеме Колпитца определя­ется отношением емкостей конденсаторов С1 и С2. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли, и более часто используется.

Кварцевые генераторы

Основное требование, предъявляемое к генерато­ру, — это стабильность частоты и амплитуды его ко­лебаний. Причинами нестабильной работы генера­торов являются зависимости емкости и индуктив­ности от температуры, старение компонентов и из­менение требований к нагрузке. Когда требуется высокая стабильность, используются кварцевые ге­нераторы.

Кварц — это материал, который может преобразо­вывать механическую энергию в электрическую, когда к нему прикладывают давление, и электри­ческую энергию в механическую, когда к нему при­кладывают напряжение. Когда к кристаллу кварца приложено переменное напряжение, кристалл начи­нает растягиваться и сжиматься, создавая механи­ческие колебания, частота которых соответствует частоте переменного напряжения.

Каждый кристалл кварца обладает собственной ча­стотой колебаний, обусловленной его структурой и размерами. Если частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой, коле­бания кристалла ярко выражены. Если частота при­ложенного переменного напряжения отличается от собственной частоты кварца, кристалл колеблется слабо. Собственная частота механических колебаний кристалла кварца практически не зависит от темпе­ратуры, что делает его идеальным для использова­ния в генераторах. В тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокую стабильность частоты колебаний, применяют термостатирование генератора (кварцевый резонатор помещают в термостат).

Для изготовления кварцевого резонатора на кри­сталлическую пластинку кварца наносятся метал­лические электроды, к которым прижимаются пружины для обеспечения электрического контакта. После этого кристалл помещается в металлический корпус. На (рис. 12.37) показано схематическое обо­значение кварца.

На (рис. 12.38) изображена схема кварцевого ге­нератора Хартли с параллельной обратной связью. Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура откло­няется от частоты кварца, импеданс кварца увели­чивается, уменьшая величину обратной связи с ко­лебательным контуром. Это позволяет колебатель­ному контуру вернуться на частоту кварца.

На (рис. 12.39) изображен генератор Колпица с кварцем, включенным так же, как и в генераторе Хартли. Кварц управляет обратной связью с коле­бательным контуром.

На (рис. 12.40) изображен генератор Пирса. Эта схема подобна генератору Колпитца, за исключени­ем того, что катушка индуктивности в колебатель­ном контуре заменена кварцем. Эта схема очень популярна, поскольку в ней не используются катуш­ки индуктивности. Кварц управляет импедансом колебательного контура, что определяет величину обратной связи и стабилизирует генератор.

Верхний предел частоты основного резонанса кри­сталла кварца составляет около 25 МГц. Однако в аппаратуре связи необходимы стабильные генера­торы более высоких частот. Для этого требуется обес­печить работу кварцевых резонаторов на их гармо­нических частотах. Обычно используются нечетные гармоники (третья и пятая).

В таких случаях используют генератор Батлера, изображенный на (рис. 12.41). Схема собрана на двух транзисторах и использует колебательный контур и кварц для задания и стабилизации частоты коле­баний. Колебательный контур должен быть настро­ен на частоту основного резонанса кварца или на частоту одной из его гармоник. Преимущество ге­нератора Батлера в том, что к кварцу приложено небольшое напряжение, что уменьшает его механи­ческие деформации.

RC генераторы

RC генераторы используют для задания частоты резистивно-емкостную цепь. Простейшим RC генератором синусоидальных колебаний является генератор с фазосдвигающей цепью.

Генератор с фазосдвигающей цепью — это обыч­ный усилитель с фазосдвигающей RC цепью обрат­ной связи (рис. 12.42).

Обратная связь должна сдвигать фазу сигнала на 180 0 . Так как емкостное сопротивление изменяется при изменении частоты, то эта компонента чувстви­тельна к частоте. Стабильность улучшается при уменьшении величины фазового сдвига на каждой RC цепочке. Однако на комбинации RC цепочек имеют место потери мощности. Для компенсации этих потерь транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Простые звуковые генераторы синуса на цифровых КМОП микросхемах,
а также функциональные генераторы НЧ сигналов синусоидальной, прямоугольной и
треугольной форм.

Генератор сигналов — вещь, немаловажная в радиолюбительском хозяйстве.
Конечно, при нашей всесторонней занятости и умении здраво оценивать ситуацию, оптимальными явились бы такие логические построения:
1. купить готовый DDS генератор у мастеровитых китайских хунвейбинов;
2. загрузить и пользовать программный продукт под названием — генератор сигналов на базе ПК.

Отличное умозаключение, но немного скучноватое. К тому же в некоторых случаях куда удобней пользоваться миниатюрным и почти ничего не потребляющим приборчиком на батарейке. Его можно систематически забывать выключить, ронять (желательно не в унитаз), шпынять и подвергать прочему физическому насилию. Всё равно работать будет как папа Карло, за себя и за всех отсутствующих!
Вот такой малопотребляющий и трудолюбивый персонаж легко можно соорудить на логических КМОП микросхемах.

Припадём к первоисточникам:

Выходы Q0-Q3 двоичного счетчика IC1 через логические элементы IC2 подключаются к общему проводу (0) или к питанию (+15 В) через резисторы суммирующего каскада IC3, номиналы которых подобраны соответствующим образом.
Для четырех выходов существует всего 16 комбинаций, так что один полупериод строится из 16 ступенек.
Изменение уровня на выходе Q4 меняет состояние на одном из двух входов каждого логического элемента «Исключающее ИЛИ».
При логической «1» на входе элемент служит инвертором, при «О» — повторителем. Поэтому половину периода формируется положительная полуволна синусоиды, а затем — отрицательная, и весь цикл снова повторяется.
Таким образом, полный период складывается из 32 шагов, и, следовательно, выходная частота составляет 1/32 часть частоты тактового сигнала.
Амплитуда выходного сигнала определяется резистором R5. Вместо ОР77 можно использовать какой-либо другой операционный усилитель с относительно большой скоростью нарастания выходного напряжения.

Перевод А. Бельского для журнала Радиолюбитель 10/2000.
От редакции. Микросхемы IC1 — IC3 можно заменить отечественными К561ИЕ16, К561ЛП2 и К544УД2.»

Измеренный коэффициент нелинейных искажений приведённого генератора — около 6% во всем диапазоне рабочих частот. Данные результаты получились с величинами резисторов: R1=10k, R2=25k, R3=51k, R4 — отсутствует. Для номиналов резисторов, указанных на схеме, коэффициент нелинейности превысил 8%.

Более высокими характеристиками обладает схема, опубликованная в журнале Radioelektronik Audio-HiFi-Video, 1997, №11, p. 42, 43 и перепечатанная в РАДИО № 10, 1998, с. 80.

Схема формирователя приведена на рис. 2. В нем используется регистр сдвига DD2 с суммированием сигналов с восьми его выводов на резистивной матрице.
На вход С микросхемы DD2 через инвертор на элементе DD1.1 подается тактовый сигнал формы меандр с частотой F. Использование обратной связи с выхода Q7 микросхемы DD2 на ее вход D через инвертор ВВ1.2 приводит к тому, что высокий уровень на всех выходах микросхемы DD2 сохраняется в течение прохождения восьми тактовых импульсов с учетом сдвига на каждом из выходов на один такт (рис. 3).

ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА

Рис.3

В течение действия 16 тактовых импульсов выходное напряжение изменяется от минимума до максимума (в течение первых восьми импульсов) и возвращается к исходному состоянию (в течение последующих восьми импульсов). Затем процесс повторяется.
Таким образом, на выходе устройства частота периодических колебаний будет в 16 раз меньше частоты поступающих тактовых импульсов.

Сигнал на выходе суммирующей матрицы ступенчатый. Весовая часть каждой «ступеньки» определяется сопротивлениями резисторов R2—R9, поэтому при регулировании устройства потребуется их подбор с тем, чтобы прирост/спад напряжения для каждой из «ступенек» был бы одинаков. Это позволит получить квазисинусоидальный сигнал с наименьшими искажениями.

Элементы R2—R9, R10, R12, кроме функции суммирующей матрицы, совместно с резистором R11 и конденсатором C3 выполняют роль фильтра нижних частот (ФНЧ), благодаря чему ступенчатое изменение напряжения на входе повторителя (микросхема DA1) приобретает форму подобия синусоидального.

Значения емкости конденсатора С3 для нескольких граничных частот ФНЧ приведены в таблице.

Граничная частота, (Гц) 10 10 2 10 3 10 4 10 5
Ёмкость конд. С3, (мкФ) 100 10 1,0 0,1 0,01

Примечание редакции. В конструкции генератора можно применить отечественные элементы: в качестве регистра сдвига — микросхему KP1561ПР1; элементов инверторов — KP1561ТЛ1; выходного повторителя — КР140УД7, скорректированной для работы с единичным усилением.

Для номиналов резисторов, указанных на схеме, коэффициент нелинейных искажений не превышает 1% во всем диапазоне генерируемых частот.
Как часто водится, в оригинальном заграничном источнике допущена пустяковая, но вредоносная опечатка, которая прямиком перекочевала и на страницы отечественного журнала: вместо «Ёмкость конд. С3, (мкФ)» в таблице следует читать «Ёмкость конд. С3, (нФ)».

Для малоответственных измерений (не требующих высокой линейности формы сигналов) можно воспользоваться простейшей схемой функционального генератора, построенного всего на одной цифровой КМОП микросхеме.

К таким генераторам относят устройства, вырабатывающие синхронно изменяющиеся во времени сигналы разной формы. Устройство вырабатывает сигналы прямоугольной формы, треугольной формы и синусоидальный сигнал.
В зависимости от емкости конденсатора С3 частоту генерируемых колебаний можно изменить в пределах от 35 до 3500 Гц.
Основу генератора составляет компаратор на элементах D1.1 и D1.2. С выхода компаратора сигнал поступает на интегратор (С3, R6, D1.3).
Элемент D1.4 используют как нелинейный усилитель. Регулируя уровень входного напряжения резистором R7 на входе элемента D1.4, добиваются получения на его выходе синусоидальных колебаний.
Потенциометр R1 служит для получения симметричных колебаний, частоту импульсов меняют резистором R6.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: