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.

Принципиальная схема самодельного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала для лабораторных целей, выполнен на микросхеме МАХ038. Синусоидальный генератор является одним из важнейших приборов лаборатории радиолюбителя. Обычно делаютдва генератора, низкочастотный и высокочастотный.

Низкочастотный делают на операционном усилителе, охваченном цепью обратной связи с мостом Винна, а плавная настройка осуществляется сдвоенным переменным резистором. ВЧ-генератор делают на основе транзисторного LC-генератора с настройкой переменным конденсатором или варикапом.

Микросхема МАХ038

Используя микросхему МАХ038 можно сделать широкополосной генератор синусоидального сигнала, от единиц Гц до десятков МГц. При этом плавная настройка будет одинарным переменным резистором, а катушек не будет вообще. Микросхема МАХ038 предназначена для построения схем генераторов.

Функциональная схема микросхемы показана на рисунке 1. А на рисунке 2 приводится типовая схема, рекомендованная производителем для построения схемы генератора синусоидального сигнала. Там же приводится формула для расчета частоты.

Микросхема по такой схеме может генерировать синусоидальный сигнал в очень широком диапазоне частот, от единиц и даже долей Гц, то 20 МГц. Что позволяет её использовать в самых разных схемах и устройствах, включая и гетеродины приемных устройств.

Рис. 1. Функциональная схема микросхемы МАХ038.

Рис. 2. Типовая схема включения микросхемы МАХ038.

Приницпиальная схема

На основе типовой схемы синусоидального генератора (рис.2) выполнена схема широкодиапазонного лабораторного генератора синусоидального сигнала (рис. 3), генерирующего частоту от 2 Гц до 20 МГц в семи переключаемых поддиапазонах. Что позволяет использовать этот генератор как для настройки НЧ аппаратуры, так и для РЧ аппаратуры.

Как указано в формуле на рис.2, частота генерации зависит от емкости конденсатора, включенного между выводом 5 и общим нулем питания, и сопротивления резистора между выводами 10 и 1. Для возможности и удобства работы в таком широком диапазоне частот, диапазон разбит на семь поддиапазонов, которые переключаются переключателем S1 путем переключения конденсаторов между выводом 5 и общим нулем.

Рис. 3. Принципиальная схема широкодиапазонного синусоидального генератора сигналов.

Плавная настройка внутри каждого диапазона осуществляется двумя последовательно включенными переменными резисторами R4 и R5, при этом резистор R5 служит для грубой установки частоты, a R4, более низкого сопротивления, для точной установки частоты. Шкалы у генератора нет, ею служит цифровой частотомер, подключаемый в разъем Х2.

Если предполагается снабдить генератор шкалой настройки, то схему плавной настройки нужно сделать на основе одного переменного резистора, многооборотного и с линейным законом изменения сопротивления.

Выходной синусоидальный сигнал снимается с вывода 19 и поступает на разъем Х2 для подачи на вход контрольного частотомера. А также, через регулятор выходного переменного напряжения на резисторе R7 на выход - разъем ХЗ, и на аттенюатор на резисторах R7-R10, позволяющем понизить выходное напряжение в 10, 100 и 1000 раз. Питание должно быть от двухполярного стабилизированного источника ±5V.

Детали и монтаж

Монтаж выполнен без применения печатной платы, в жестяном коробе размером 150x100x50 мм. Короб служит одновременно и шиной общего провода питания. Микросхема в корпусе DIP-20.

Монтаж выполнен следующим образом. Все выводы микросхемы А1, кроме тех, что соединяются с общим нулем питания, отогнуты в горизонтальное положение. Выводы, соединенные с общим проводом оставлены как есть, и припаяны к дну вышеуказанного жестяного короба.

После того как микросхема жестко закрепилась выводами, припаянными к общему проводу, остальной монтаж выполнен объемным способом на остальных выводах микросхемы. А так же, на выводах разъемов, резисторов R4, R5, R6 и галетного переключателя S1.

Значения емкостей С6-С12 указаны на схеме как есть, они не подбирались точно, поэтому реальные поддиапазоны отличаются от указанных на схеме. Если нужно выставить точные поддиапазоны, нужно точно подобрать емкости С6-С12, подключая к ним дополнительные «достроечные» конденсаторы.

Но это имеет значение только если генератор будет работать с собственной механической шкалой. При работе в паре с частотомером точная подборка С6-С12 не всегда требуется, так как генерируемая частота видна на табло цифрового частотомера.

Кручинин П. С. РК-2016-09.

Данная схема генератора низкой частоты гармонического синусоидального сигнала предназначена для настройки и ремонта усилителей звуковой частоты.

Генератор синусоидального сигнала совместно с милливольтметром, осциллографом или измерителя искажений создает ценный комплекс для настройки и ремонта всех каскадов усилителя звуковой частоты.

Основные характеристики:

• Генерируемые частоты: 300 Гц, 1 кГц, 3 кГц.
• Максимальное гармоническое искажение (THD): 0,11% — 1 кГц, 0,23% — 300Гц, 0,05% — 3 кГц
• Ток потребления: 4,5 мА
• Выбор выходного напряжения: 0 — 77,5 мВ, 0 — 0,775 В.

Схема синусоидального генератора достаточно проста и построена на двух транзисторах, которые обеспечивают высокую частоту и амплитудную стабильность. Конструкция генератора не требует никаких элементов стабилизации, таких как лампы, термисторы, или других специальных компонентов для ограничения амплитуды.

Каждая из трех частот (300 Гц, 1 кГц и 3 кГц) устанавливается переключателем S1. Амплитуда выходного сигнала может быть плавно изменена посредством переменного резистора R15 в двух диапазонах, которые устанавливаются переключателем S2. Доступные амплитудные диапазоны: 0 — 77,5 мВ (219,7 мВ от пика до пика) и 0 — 0,775 В (2,191 В от пика до пика).

На следующих рисунках приведена разводка печатной платы и расположение элементов на ней.

Перечень необходимых радиодеталей:

• R1 — 12k
• R2 — 2k2
• R3, R4, R5, R15 — 1k переменный
• R6, R7 — 1K5
• R8 — 1k
• R9 — 4k7
• R10 — 3k3
• R11 — 2k7
• R12 — 300
• R13 — 100k
• С1 — 22n
• С2 — 3u3
• С3 — 330n
• С4 — 56n
• С5 — 330n
• С6, С7 — 100n
• D1, D2 — 1N4148
• T1, T2, T3 — BC337
• IO1 — 78L05

Если все детали установлены правильно и в монтаже нет никаких ошибок, генератор синусоидального сигнала должен заработать при первом же включении.

Напряжение питания схемы может быть в диапазоне 8-15 вольт. Чтобы поддержать стабильную амплитуду напряжения выходного сигнала, линия питания дополнительно стабилизирована микросхемой 78L05 и диодами D1, D2 в результате на выходе стабилизатора около 6,2 вольт.

Перед первым включением необходимо подключить выход генератора к частотомеру или осциллографу и с помощью подстроичных резисторов R3, R4 и R5 установить точную выходную частоту для каждого из диапазонов: 300 Гц, 1 кГц и 3 кГц. При необходимости, если не совсем удается подстроить частоты, то можно дополнительно подобрать сопротивления постоянных резисторов R6-R8.

http://pandatron.cz/?1134&sinusovy_generator_s_nizkym_zkreslenim

Генераторами являются такие схемы, которые производят периодические колебания различных форм, например, прямоугольные, треугольные, пилообразные и синусоидальные. В генераторах обычно применяются различные активные компоненты, лампы или кварцевые резонаторы, а так же пассивные - резисторы, конденсаторы, индуктивности.

Существует два основных класса генераторов - релаксационные и гармонические. Релаксационные генераторы производят треугольные, пилообразные и другие несинусоидальные сигналы, и в этой статье они не рассматриваются. Синусоидальные генераторы состоят из усилителей со внешними компонентами, или же компоненты могут быть смонтированы на одном кристалле с усилителем. В этой статье рассматриваются генераторы гармонических сигналов, созданные на основе операционных усилителей.

Генераторы гармонического сигнала применяются в качестве образцовых или испытательных генераторов во многих схемах. В чистом синусоидальном сигнале присутствует только основная частота - в идеале в нём нет никаких других гармоник. Таким образом, подавая синусоидальный сигнал на вход какого-нибудь устройства, можно измерить уровень гармоник на его выходе, определив таким образом коэффициент нелинейных искажений. В релаксационных генераторах выходной сигнал формируется из синусоидального сигнала, который суммируется для формирования колебаний специальной формы.

2. Что такое генератор синусоидального сигнала

Генераторы на операционных усилителях являются нестабильными схемами - не в том смысле, что они случайно получились нестабильными - а наоборот, их специально конструируют так, что бы они оставались в нестабильном состоянии или в состоянии генерации. Генераторы бывают полезны для генерации стандартных сигналов, используемых как образцовые для применения в областях, связанных с аудио, в качестве функциональных генераторов, в цифровых системах и в системах связи.

Существуют два основных класса генераторов: синусоидальные и релаксационные. Синусоидальные состоят из усилителей с RC или LC цепями, с помощью которых можно менять частоту генерации, или кварцев с фиксированной частотой. Релаксационные генераторы генерируют колебания треугольной, пилообразной, прямоугольной, импульсной или экспоненциальной формы и здесь не рассматриваются.

Генераторы синусоидального сигнала работают без подачи на них внешнего сигнала. Вместо этого применяется комбинация положительной или отрицательной обратной связи, что бы перевести усилитель в нестабильное состояние, что приводит к цикличному изменению сигнала на выходе от минимального до максимального напряжения питания с постоянным периодом. Частота и амплитуда колебаний определяется набором активных и пассивных компонентов, подключённых к операционному усилителю.

Генераторы на операционных усилителях ограничены низкочастотным диапазоном частотного спектра, так как у них отсутствует широкая полоса пропускания, необходимая для достижения низкого фазового сдвига на высоких частотах. Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены килогерцовым частотным диапазоном, так как доминирующий полюс при разомкнутой цепи обратной связи может находиться на достаточно низкой частоте, например 10 Гц. Новые операционные усилители с токовой связью имеют гораздо большую полосу пропускания, но их очень трудно использовать в генераторных схемах потому что они чувствительны к ёмкостям в цепях обратной связи. Генераторы с кварцевыми резонаторами используются для применения в высокочастотных схемах в диапазоне до сотен мГц.

3. Условия для возникновения генерации

Для демонстрации условий возникновения колебаний используется классическое изображение системы с отрицательной обратной связью. На рисунке 1 изображена блочная схема этой системы, где V IN - напряжение входного сигнала, V OUT - напряжение на выходе блока усилителя (A), β - сигнал, называемый коэффициентом обратной связи, который подаётся обратно на сумматор. E представляет ошибку, равную сумме коэффициента обратной связи и входного напряжения.

Рисунок 1. Классическая форма изображения системы с положительной или отрицательной обратной связью.

Соответствующие классические выражения для системы обратной связи выводятся следующим образом. Уравнение (1) является определяющим уравнением для выходного напряжения; уравнение (2) - для соответствующей ошибки:

V OUT = E x A (1)

E = V IN - βV OUT (2)

Выразив первое уравнение через E и подставив его во второе, получим

V OUT /A = V IN - βV OUT (3)

группируя V OUT в одной части равенства, получим

V IN = V OUT (1/A + β) (4)

Переставляя местами члены равенства, получим уравнение (5), классическую форму описания обратной связи:

V OUT /V IN = A / (1 + Aβ) (5)

Генераторы не требуют никакого внешнего сигнала для своей работы, вместо этого они используют некоторую часть выходного сигнала, подаваемого обратно на вход через цепь обратной связи.

Колебания в генераторах возникают от того, что системе обратной связи не удаётся найти стабильное состояние, потому что условие передаточной функции не может быть выполнено. Система становится неустойчивой, когда знаменатель в уравнении (5) обращается в нуль, т.е. когда 1 + Aβ = 0, или Aβ = -1. Ключом к созданию генератора является выполнение условия Aβ = -1. Это так называемый критерий Баркгаузена. Для удовлетворения этого критерия необходимо, что бы величина усиления цепи обратной связи совпадала по фазе с соответствующим фазовым сдвигом, равным 180°, на что указывает знак "минус". Эквивалентное выражение с использованием символики комплексной алгебры будет Aβ =1∠-180° для отрицательной системы обратной связи. Для положительной системы обратной связи выражение будет выглядеть как Aβ =1∠-0° и знак слагаемого Aβ в уравнении (5) будет отрицательным.

По мере того, как сдвиг фаз приближается к 180°, и |Aβ| --> 1, выходное напряжение теперь уже неустойчивой системы стремится к бесконечности, но оно, конечно же, ограничено конечными значениями из-за ограничения напряжения источника питания. Когда амплитуда выходного напряжения достигает величины какого-либо из питающих напряжений, то активные устройства в усилителях изменяют коэффициент усиления. Это приводит к тому, что величина A изменяется, и так же приводит к удалению Aβ от бесконечности и, таким образом траектория изменения напряжения в направлении бесконечности замедляется и в конце концов останавливается. На данном этапе может произойти одно из трёх событий:

I. нелинейности в режиме насыщения или отсечки приводят систему в устойчивое состояние и удерживают выходное напряжение вблизи напряжения источника питания.
II. Начальные изменения приводят систему в режим насыщение (или в режим отсечки) и система остаётся в этом состоянии долгое время, прежде чем она становится линейной и выходное напряжение начинает изменяться по направлению к противоположному источнику питания.
III. Система остаётся линейной и меняет направление изменения выходного напряжения в сторону к противоположному источнику питания.

Второй вариант даёт сильно искажённые колебания (как правило, почти прямоугольной формы), такие генераторы называют релаксационными. Третий вариант производит синусоидальный сигнал.

4. Сдвиг фаз в генераторах

В уравнении Aβ =1∠-180° фазовый сдвиг, равный 180°, вносят активные и пассивные компоненты. Как и любые правильно сконструированные схемы с обратной связью, генераторы зависят от фазового сдвига, вносимого пассивными компонентами, потому что этот фазовый сдвиг точный и почти без дрейфа. Фазовый сдвиг, вносимый активными компонентами сведён к минимуму, поскольку он зависит от температуры, имеет широкий начальный допуск, и зависит от типов активных элементов. Усилители подобраны таким образом, что бы они вносили минимальный фазовый сдвиг или вообще не вносили никакого фазового сдвига на частоте колебаний. Эти факторы ограничивают рабочий диапазон генераторов на операционных усилителях относительно низкими частотами.

Однозвенные RL или RC цепи вносят фазовый сдвиг величиной до 90° (но не точно 90° - их фазовый сдвиг стремится к 90°, но никогда их не достигнет) на звено, и так как для возникновения колебаний необходим фазовый сдвиг 180°, то нужно использовать хотя бы два звена в конструкции генератора (так как максимальный фазовый сдвиг будет стремиться к 180°, то необходимое дополнение фазового сдвига до точного значения 180° будет обеспечиваться входными ёмкостями и сопротивлениями активных элементов). LC цепь имеет два полюса, и может вносить фазовый сдвиг по 180° на полюс. Но LC и LR генераторы здесь не рассматриваются, так как низкочастотные индуктивности дороги, тяжелы, громоздки и сильно неидеальны. LC генераторы применяются в высокочастотных схемах, за пределами частотного диапазона операционных усилителей, там где размер, вес и цена индуктивностей менее важны.

Сдвиг по фазе определяет рабочую частоту генерации, поскольку схема будет генерировать колебания на любой частоте, на которой накапливается фазовый сдвиг в 180°. Чувствительность фазы к частоте, dφ/dω, определяет стабильность частоты. Когда буферированные RC звенья (буфер на операционном усилителе обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление) включены каскадно, то фазовый сдвиг умножается на количество звеньев, n (см. Рисунок 2).

Рис. 2. Сдвиг фаз RC звеньями.

В той области, где фазовый сдвиг равен 180°, частота генерации очень чувствительна к сдвигу фазы. Таким образом, из-за жёстких требований к частоте необходимо, чтобы фазовый сдвиг dφ, изменялся в чрезвычайно узких пределах, что бы изменения частоты dφ были бы незначительными при фазовом сдвиге, равном 180°. Из рисунка 2 видно, что хотя два последовательно соединённых RC звена в конечном итоге обеспечивают фазовый сдвиг почти 180°, величина dφ/dω на частоте генерации недопустимо мала. Следовательно, генератор на основе двух последовательно соединённых RC цепей будет иметь плохую стабильность частоты. Три одинаковых RC фильтра, включённых последовательно, имеют гораздо большее отношение dφ/dω (см. Рисунок 2), что даёт в результате улучшение стабильности частоты генератора. Добавление четвёртого RC звена позволяет создать генератор с превосходным отношением dφ/dω (см. Рисунок 2), таким образом, это даёт наиболее стабильную по частоте схему RC генератора. Четырёхзвенные RC цепи содержат максимальное число звеньев, которое используют, потому что в одном корпусе микросхемы содержится четыре ОУ, и четырёхкаскадный генератор даёт четыре синусоиды, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 45°. Этот же генератор может быть использован для получения синусоидальных/косинусоидальных, а так же квадратурных (т.е. с разницей 90°) сигналов.

Кварцевые или керамические резонаторы позволяют создавать гораздо более стабильные генераторы, так как у резонаторов отношение dφ/dω гораздо выше из-за их нелинейных свойств. Резонаторы применяют в высокочастотных схемах, в низкочастотных схемах резонаторы не используют из-за их больших размеров, веса и стоимости. Операционные усилители обычно не используют совместно с кварцевыми или керамическими резонаторами, так как ОУ имеют низкую полосу пропускания. Опыт показывает, что вместо использования низкочастотных резонаторов для низких частот является более экономически эффективным способ, когда используется высокочастотный кварцевый генератор, выходную частоту которого следует поделить в n раз до необходимой рабочей частоты, а затем отфильтровать выходной сигнал.

5. Усиление генератора

Усиление генератора должно быть равно единице (Aβ =1∠-180°) на рабочей частоте. При нормальных условиях схема становится устойчивой в случае, когда усиление превышает единицу, и тогда генерация прекращается. Однако если усиление превышает единицу и фазовый сдвиг составляет при этом -180°, то нелинейность активных элементов понижает усиление до единицы, и генерация продолжается. Эта нелинейность становится важной в случае, если выходное напряжение усилителя приближается по величине к одному из питающих напряжений, так как в режиме отсечки или насыщения снижается усиление активных элементов (транзисторов). Парадокс здесь в том, что для технологичности на всякий случай закладывают усиление, превышающее единицу, хотя чрезмерное усиление приводит к увеличению искажения синусоидального сигнала.

Когда усиление слишком низкое, то условия ухудшаются и колебания прекращаются, а когда усиление слишком большое, то форма выходного сигнала становится больше похожа на меандр, чем на синусоиду. Искажения являются прямым результатом чрезмерного увеличения усиления, перегружающего усилитель; следовательно, усиление должно контролироваться очень тщательно в генераторах с низким коэффициентом искажениями. В генераторах на основе фазосдвигающих цепей тоже имеются искажения, но они снижаются на выходе из-за того, что последовательно соединённые RC цепи работают как RC фильтры, уменьшающие искажения. Кроме того, буферированные генераторы на фазосдвигающих цепях имеют низкий уровень искажений, поскольку усиление контролируется и распределяется между буферами.

Большинство схем требуют вспомогательной цепи для регулировки усиления, если нужно получить сигнал с малыми искажениями. Во вспомогательных цепях могут использоваться нелинейные компоненты в цепях обратной связи для автоматической регулировки усиления, или ограничители на резисторах и диодах. Необходимо также уделить внимание изменению коэффициента усиления в результате изменений температуры и допусков компонент, и уровень сложности схем определяется исходя из требуемой стабильности коэффициента усиления. Чем более стабилен коэффициент усиления, тем чище будет синусоидальный сигнал на выходе.

6. Влияние активного элемента (ОУ) на генератор

Во всех предыдущих рассуждениях предполагалось, что операционный усилитель имеет бесконечно большую полосу пропускания и его выход частотонезависим. В действительности у ОУ имеется несколько полюсов на АЧХ, но их компенсируют таким образом, что бы над ними доминировал один полюс по всей полосе пропускания. Таким образом, Aβ должна теперь считаться зависимой от частоты в зависимости от усиления A операционного усилителя. Уравнение (6) показывает эту зависимость, здесь a - это максимальное усиление петли обратной связи, ω a - это доминирующий полюс на АЧХ, и ω - частота сигнала. На рисунке 3 изображена зависимость частоты от усиления и фазы. Усиление при замкнутой цепи ОС A CL = 1/β не имеет ни полюсов, ни нулевых значений, оно постоянно при росте частоты до точки, где начинает действовать усиление при разомкнутой цепи ОС на частоте ω 3dB . Здесь амплитуда сигнала ослабляется на 3 дБ и фазовый сдвиг, вносимый ОУ составляет 45°. Амплитуда и фаза начинают изменяться на одну декаду вниз от этой точки, 0.1 x ω 3dB , и фаза продолжает сдвигаться до тех пор, пока не достигнет величины 90° в точке 10 ω 3dB , на декаду ниже точки 3 дБ. Усиление продолжает падать со скоростью –20 dB на декаду до тех пор, пока не достигнет других полюсов или нулевого значения. Чем выше усиление при замкнутой петле ОС, A CL , тем раньше оно начнёт падать.

(6)

Фазовый сдвиг, вносимый ОУ, влияет на характеристики схемы генератора, за счёт снижения частоты колебаний, а также уменьшение A CL ACL может привести к Aβ < 1, и генерация прекратится.

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

Большинство ОУ имеют компенсацию и могут иметь фазовый сдвиг больше чем 45° на частоте ω 3dB . Таким образом, ОУ должен выбираться с коэффициентом усиления на полосе пропускания по крайней мере одну декаду выше частоты генерации, как показано на заштрихованном участке на рисунке 3. Генератор на мосте Вина требует усиления на полосе пропускания больше чем 43 ω OSC , что бы усиление и частота поддерживалась в пределах 10% от идеального значения . На рисунке 4 приведны сравнительные характеристики искажений на разных частотах для операционных усилителей LM328, TLV247x, и TLC071, которые имеют полосу пропускания 0.4 мГц, 2.8 мГц, and 10 мГц, которые используются в генераторе на мосте Вина с нелинейной обратной связью (). Частота колебаний лежит в диапазоне от 16 Гц до 160 кГц. График иллюстрирует важность выбора подходящего ОУ. Усилитель LM328 достигает максимальной частоты генерации 72 кГц при ослаблении усиления больше чем 75%, а TLV247x достигает 125 кГц при снижении усиления на 18%. Широкая полоса пропускания TLC071 обеспечивает частоту генерации 138 кГц при снижении усиления всего на 2%. Операционный усилитель нужно выбирать с подходящей полосой пропускания, иначе частота генерации будет лежать гораздо ниже, чем требуется.

Рис. 4. График искажения/частота для ОУ с разной шириной полосы пропускания.

Необходимо соблюдать осторожность при использовании резисторов больших номиналов в цепи обратной связи, потому что они взаимодействуют с входной ёмкостью ОУ и создают полюса с отрицательной обратной связью, а так же полюса и нули с положительной обратной связью. Резисторы больших номиналов могут сдвигать эти полюса и нули ближе к частоте генерации и воздействовать на сдвиг фаз . В заключении обратим внимание на ограничение скорости нарастания сигнала ОУ. Скорость нарастания сигнала должна быть больше чем 2πV P f 0 , где V P - это пиковое напряжение и f 0 - частота генерации; в противном случае выходной сигнал будет искажён.

7. Анализ работы схемы генератора

При создании генераторов различными способами комбинируют положительную и отрицательную обратные связи. На рисунке 5,а изображена базовая схема усилителя с отрицательной ОС и с добавленной положительной ОС. Когда применяются и положительная, и отрицательная ОС, то их усиления комбинируются в одно общее (усиление замкнутой петли ОС). Рисунок 5,а упрощается до рисунка 5,б, цепь положительной ОС представлена β = β 2 , и последующий анализ упрощается. Когда используется отрицательная ОС, то петля положительной ОС игнорируется, так как β 2 равна нулю.

Рис. 5. Блочная схема генератора.

Общий вид операционного усилителя с положительной и отрицательной ОС показан на рисунке 6,а. Первым шагом в анализе будет разрывание петли в каком-нибудь месте, но так, что бы усиление схемы не изменилось. Положительная ОС разорвана в точке, помеченной X . Тестовый сигнал V TEST подаётся в разорванную петлю и выходное напряжение V OUT измеряется с помощью эквивалентной схемы, изображённой на рисунке 6,б.

Рис. 6. Усилитель с положительной и отрицательной обратной связью.

В начале рассчитывается V + , используя уравнение (7); затем V + рассматривается как входной сигнал, подаваемый на неинвертирующий усилитель, что даёт V out из уравнения (8). Подставляя V + из уравнения (7) в уравнение (8), получаем в уравнении (9) передаточную функцию. В реальной схеме элементы заменяются для каждого импеданса, и уравнение упрощается. Эти уравнения действительны в случае, если усиление при разомкнутой петле ОС огромно и частота генерации меньше, чем 0.1 ω 3dB .

(7)

(8)

(9)

В генераторах на основе сдвига фазы обычно используют отрицательную обратную связь, так что фактор положительной обратной связи (β 2) обращается в нуль. В схемах генераторов на основе моста Вина используются и отрицательная (β 1) и положительная (β 2) обратная связи для достижения режима генерации. Уравнение (9) применяется для детального анализа этой схемы (см. часть 8.1).

8. Схемы генераторов синусоидального сигнала

Существует много типов схем генераторов гармонических сигналов и их модификаций, при практической реализации выбор зависит от частоты и желаемой монотонности выходного сигнала. Основное внимание в этой части будет уделено более известным схемам генераторов: на мосте Вина, на фазовом сдвиге, и квадратурным. Передаточная функция выводится в каждом конкретном случае с помощью методов, описанных в разделе 6 этой статьи, и в ссылках .

8.1. Генератор на основе моста Вина

Генератор на основе моста Вина является одним из наиболее простых и известных, он широко используется в аудио схемах. На рисунке 7 изображена основная схема генератора. Достоинство этой схемы - малое количество применённых деталей и хорошая стабильность частоты. Основным же её недостатком является то, что амплитуда выходного сигнала приближается к величине питающих напряжений, что приводит к насыщению выходных транзисторов операционного усилителя, и как следствие, является причиной искажений выходного сигнала. Укротить эти искажения гораздо сложнее, чем заставить схему генерировать. Существует несколько способов, чтобы минимизировать этот эффект. Они будут рассмотрены позже; сначала схема будет проанализирована для получения передаточной функции.

Рис. 7. Схема генератора на основе моста Вина.

Схема генератора на основе моста Вина имеет форму, детально описанную в , и передаточная функция для этой схемы выводится с помощью построений, описанных там. Совершенно очевидно, что Z 1 = R G , Z 2 = R F , Z 3 = (R 1 + 1/sC 1) и Z 4 = (R 2 ||1/sC 2). Петля разрывается между выходом и Z 1 , напряжение V TEST подаётся на Z 1 , и отсюда рассчитывается V OUT . Напряжение положительной ОС V + , рассчитывается первым, с помощью уравнений (10..12). Уравнение (10) показывает простой делитель напряжения у неинвертирующего входа. Каждый член умножается на (R 2 C 2 s + 1) и делится на R 2 , что даёт в результате уравнение (11).

(10)

(11)

Подставляя s = jω 0 , где jω 0 является частотой генерации, jω 1 = 1/R1C2, and jω 2 = 1/R2C1, получаем уравнение (12).

(12)

Теперь становятся очевидными некоторые интересные отношения. Конденсатор у нуля, представленный ω 1 , и конденсатор на полюсе, представленный ω 2 , должны вносить фазовый сдвиг по 90° каждый, что необходимо для генерации на частоте ω 0 . Это требует что бы C1 = C2 и R1 = R2. Выбрав ω 1 и ω 2 равными ω 0 , все слагаемые с частотами ω в уравнении сократятся, что идеально нейтрализует любое изменение амплитуды с частотой, так как полюса и нули нейтрализуют друг друга. Это приводит к общему коэффициенту обратной связи β = 1/3 (уравнение 13)

Усиление A части отрицательной обратной связи должно быть установлено таким, что бы |Aβ| = 1, что требует A = 3. Что бы это условие выполнялось, R F должно быть в два раза больше, чем R G . Операционный усилитель на рисунке 7 использует однополярное питание, так что необходимо использовать опорное напряжение V REF для смещения постоянной составляющей выходного сигнала, что бы его амплитуда была в диапазоне от нуля до напряжения питания и искажения были бы минимальны. Подача V REF на положительный вход ОУ через резистор R 2 ограничивает протекание постоянного тока через отрицательную ОС. Напряжение V REF было установлено равным 0.833 вольт для смещения уровня выходного сигнала до половины напряжения питания, что даёт на выходе амплитуду выходного сигнала +-2,5 вольт от среднего значения (см. ссылку ). При использовании двухполярного питания V REF заземляется.

Окончательная схема изображена на рисунке 8, с параметрами компонентов, выбранными для частоты генерации ω 0 = 2πf 0 , где f 0 = 1/(2πRC) = 1.59 кГц. В действительности схема генерирует на частоте 1.57 кГц, из-за разброса параметров компонент, и с коэффициентом искажений, равным 2.8%. Более высокое значение рабочей частоты является результатом обрезания выходного сигнала вблизи плюса и минуса источника питания, что приводит к появлению нескольких мощных чётных и нечётных гармоник. При этом резистор обратной связи был отрегулирован с точностью +-1%. На рисунке 9 изображены осциллограммы выходного сигнала. Искажения растут с увеличением насыщения, которое растёт с увеличением сопротивления R F , и генерация прекращается при уменьшении сопротивления R F всего на 0.8%.

Рис. 8. Окончательная схема генератора на мосте Вина.

Рис. 9. Осциллограммы выходного сигнала: влияние R F на искажения.

Применение нелинейной обратной связи может минимизировать искажения, присущие базовой схеме генератора на основе моста Вина. Нелинейный компонент, такой как лампа накаливания, можно подставить в схему на место резистора R G , как показано на рисунке 10. Сопротивление лампы, R LAMP выбрано равным половине сопротивления обратной связи, R F , при токе, протекающим через лампу, зависящим от R F и R LAMP . В момент подачи питающего напряжения на схему лампа ещё холодная и её сопротивление низкое, так что усиление будет большое (больше трёх). По мере протекания тока через нить накала, она нагревается и её сопротивление увеличивается, что приводит к снижению усиления. Нелинейное отношение между протекающим через лампу током и её сопротивлением сохраняет изменение выходного напряжения небольшим - небольшое изменение напряжения означает большое изменение сопротивления. На рисунке 11 изображён выходной сигнал этого генератора с искажениями меньше чем 0.1% для f OSC = 1.57 кГц. Искажения при таких изменениях значительно снижаются по сравнению с базовой схемой генератора, так как выходной каскад ОУ избегает сильного насыщения.

Рис. 10. Генератор на мосте Вина с нелинейной обратной связью.

Рис. 11. Выходной сигнал схемы с рисунка 10.

Сопротивление лампы в основном зависит от температуры. Амплитуда выходного сигнала очень чувствительна к температуре и имеет тенденцию к дрейфу. Поэтому коэффициент усиления должен быть больше трёх, что бы скомпенсировать любые температурные вариации, что приводит к увеличению искажений . Такой тип схемы полезен в случае, если температура изменяется не сильно, или при использовании совместно с со схемой ограничения по амплитуде.

Лампа имеет эффективную низкочастотную тепловую постоянную времени, t thermal . При подходе частоты генерации f OSC к t thermal искажения выходного сигнала сильно возрастают. Для уменьшения искажений можно применить последовательное соединение нескольких ламп, что увеличит t thermal . Недостатки этого способа в том, что время, необходимое для стабилизации колебаний увеличивается и амплитуда выходного сигнала уменьшается.

Схема с автоматической регулировкой усиления (АРУ) должна применяться в случае, если ни одна из предыдущих схем не обеспечивает достаточно низкий уровень искажений. Схема типичного генератора с АРУ на мосте Вина изображена на рисунке 12; на рисунке 13 показаны осциллограммы этой схемы. АРУ используется для стабилизации амплитуды выходного синусоидального сигнала до оптимальной величины. Полевой транзистор применён в качестве регулирующего элемента АРУ, обеспечивающего превосходное управление из-за широкого диапазона сопротивления сток-исток, которое зависит от напряжения на затворе. Напряжение на затворе транзистора равно нулю, когда подаётся напряжение питания, и соответственно сопротивление сток-исток (R DS) будет низкое. При этом сопротивления R G2 +R S +R DS соединяются параллельно с R G1 , что повышает коэффициент усиления до 3,05, и схема начинает генерировать колебания, которые постепенно увеличиваются по амплитуде. По мере роста выходного напряжения отрицательная полуволна сигнала открывает диод, и конденсатор C 1 начинает заряжаться, что обеспечивает постоянное напряжение на затворе транзистора Q1 . Резистор R 1 ограничивает ток и устанавливает постоянную времени заряда конденсатора C 1 (которая должна быть гораздо больше периода частоты f OSC). Когда коэффициент усиления достигнет трёх, то выходной сигнал стабилизируется. Искажение АРУ составляют менее 0,2%.

Схема на рисунке 12 имеет смещение V REF для однополярного питания. Последовательно с диодом можно включить стабилитрон, что бы уменьшить амплитуду выходного сигнала и снизить искажения. Можно применить двухполярное питание, для этого надо соединить с общим проводом все проводники, ведущие к V REF . Существует большое разнообразие схем генераторов на основе моста Вина с более точным управлением уровнем выходного сигнала, позволяющих ступенчато переключать частоту генерации или плавно её регулировать. Некоторые схемы используют ограничители на диодах, установленных в качестве нелинейных компонентов обратной связи. Диоды уменьшают искажения выходного сигнала путём мягкого ограничения его напряжения.

Рис. 12. Генератор на мосте Вина с АРУ.

Рис. 13. Выходной сигнал схемы с рисунка 12.

8.2. Генератор на основе сдвига фаз с одним ОУ.

Генераторы на основе сдвига фаз производят меньше искажений, чем генераторы на основе моста Вина, имея ещё и хорошую стабильность частоты. Такой генератор может быть построен с одним ОУ, как показано на рисунке 14. Три RC звена соединены последовательно, чтобы получить крутой наклон dφ/dω, необходимый для стабильной частоты колебаний, как это описано в разделе 3. Применение меньшего количества RC звеньев приводит к высокой частоте колебаний, ограниченной полосой пропускания ОУ.

Рис. 14. Генератор на основе сдвига фаз с одним ОУ.

Рис. 15. Выходной сигнал схемы с рисунка 14.

Как правило, считается, что фазосдвигающие цепи являются независимыми друг от друга, что позволяет вывести уравнение (14). Полный сдвиг фазы петли ОС составляет –180°, при этом фазовый сдвиг, вносимый каждым звеном составляет –60°. Это происходит при ω = 2πf = 1.732/RC (tan 60° = 1.732...). Величина β в этой точке будет равна (1/2) 3 , так что усиление, A , должно быть равно 8, что бы общее усиление было равно единице.

(14)

Частота колебаний с номиналами компонентов, показанных на рисунке 14, составляет 3,767 кГц, а расчётная частота составляет 2,76 кГц. Кроме того, коэффициент усиления, требуемый для возникновения генерации, равен 27, а расчётный равен 8. Это расхождение частично возникает из-за разброса параметров компонентов, однако главным фактором является неверное предположение, что RC звенья не нагружают друг друга. Эта схема была очень популярна, когда активные компоненты были большими и дорогими. Но теперь ОУ недороги, малы, и в одном корпусе содержится 4 ОУ, поэтому генератор на основе фазосдвигающей цепи на одном операционном усилители теряет популярность. Искажения выходного сигнала составляют 0,46%, что значительно меньше, чем в схеме генератора на основе моста Вина без стабилизации амплитуды.

8.3. Буферированный генератор на основе сдвига фаз

Буферизованный генератор на основе сдвига фаз намного лучше небуферизованной версии, но платой за это является большее число применённых компонентов. На рисунках 16 и 17 изображён буферизированный генератор на основе сдвига фаз, и соответственно выходной сигнал. Буферы предотвращают RC цепи от нагружения друг друга, поэтому параметры буферизированного генератора на основе сдвига фаз лежат гораздо ближе к расчётным значениям частоты и коэффициенту усиления. Резистор R G , устанавливающий коэффициент усиления, нагружает третье RC звено. Если буферизировать это звено с помощью четвёртого ОУ, то параметры генератора станут идеальными. Синусоидальный сигнал с низкими искажениями может быть получен любым генератором на основе сдвига фаз, но наиболее чистый синус получается на выходе последнего RC звена генератора. Это высокоомный выход, поэтому высокое входное сопротивление нагрузки обязательно для предотвращения перегрузки и как следствия, изменения частоты генерации из-за вариаций параметров нагрузки.

Частота генерации схемы составляет 2,9 кГц по сравнению с идеальной расчётной частотой 2,76 кГц, коэффициент усиления был равен 8,33, что близко к расчётному, равному 8. Искажения составляли 1,2%, что значительно больше, чем у небуферизованого фазового генератора. Эти расхождения параметров и сильные искажения возникают из-за большого номинала резистора обратной связи R F , который совместно с входной ёмкостью ОУ C IN создаёт полюс, лежащий поблизости от частоты 5 кГц. Резистор R G всё ещё нагружает последнее RC звено. Добавление буфера между последним RC звеном и выходом V OUT снизит усиление и частоту генерации до расчётных значений.

Рис. 16. Буферированный генератор на основе сдвига фаз.

Рис. 17. Выходной сигнал схемы с рисунка 17.

8.4. Генератор Буббы

Генератор Буббы, схема которого приведена на рисунке 18, является ещё одним генератором на основе сдвига фаз, но здесь используется выгода от применения счетверённого операционного усилителя, что приносит уникальные преимущества. Четыре RC звена требуют фазовый сдвиг по 45° в каждом звене, так что этот генератор имеет отличную d&phi/dt, что приводит к минимальному дрейфу частоты. Каждая из RC секций вносит фазовый сдвиг в 45°, поэтому снимая сигнал с разных звеньев можно получить низкоомный квадратурный выход. При снятии сигналов с выходов каждого из ОУ можно получить четыре синусоиды со сдвигом фаз по 45°. Уравнение (15) описывает петлю обратной связи. При ω = 1/RCs, уравнение 15 упрощается до уравнений (16) and (17).

(15)

(16)

Рис. 19. Выходной сигнал схемы с рисунка 18.

Что бы генерация возникла усиление A должно быть равно 4. Частота колебаний испытательной схемы составляла 1.76 кГц, при этом расчётное значение составляет 1.72 кГц, и соответственно усиление было равно 4.17 при расчётном значении, равном 4. Форма выходного сигнала показана на рисунке 19. Искажение составляют 1.1% для V OUTSINE и 0.1% for V OUTCOSINE . Синусоидальный сигнал с очень низкими искажениями может быть получен из точки соединения резисторов R и R G . Когда сигнал с низким уровнем искажений необходимо снимать со всех выходов, то общее усиление должно быть распределено среди всех ОУ. На неинвертирующий вход усиливающего ОУ подано напряжение смещения 2.5 вольт, что бы установить напряжение покоя равным половине напряжения питания при использовании однополярного источника, если же используется двухполярный источник питания то неинвертирующий вход следует заземлить. Распределение усиления между всеми ОУ требует применение смещения для них, но это никак не воздействует на частоту генерации.

8.5. Квадратурный генератор

Квадратурный генератор, изображённый на рисунке 20 является другим типом генератора на основе сдвига фаз, но три RC звена настроены так, что каждое звено вносит фазовый сдвиг по 90°. Это обеспечивает на выходе как синусоидальный, так и косинусоидальный сигнал (выходы являются квадратурными , с разностью фаз по 90°), что является явным преимуществом перед другими генераторами на основе фазовых сдвигов. Идея квадратурного генератора лежит в использовании того факта, что двойное интегрирование синусоиды даёт инвертирование сигнала, то есть происходит сдвиг сигнала по фазе на 180°. Фаза второго интегратора тогда инвертируется и используется как положительная ОС, что приводит к возникновению генрации .

Усиление петли обратной связи рассчитывается по уравнению (18). При R1C1 = R2C2 =R3C3 уравнение (18) упрощается до (19). Когда ω = 1/RC, уравнение (18) упрощается до 1∠–180, так что генерация возникает на частоте ω = 2πf = 1/RC. У испытательной схемы колебания возникают на частоте 1.65 кГц, что немного отличается от расчётной частоты, равной 1.59 кГц, как показано на рисунке 21. Это расхождение объясняется разбросом параметров компонент. Оба выхода имеют относительно высокие искажения, которые могут быть уменьшены при использовании АРУ. Синусоидальный выход имел коэффициент искажений 0,846%, косинусоидальный - 0,46%. Регулировка усиления может увеличить амплитуду выходного сигнала. Недостатком такого генератора является уменьшенная полоса пропускания.

(18)

(19)

Рис. 20. Схема квадратурного генератора.

Рис. 21. Выходной сигнал схемы с рисунка 20.

9. Заключение

Генераторы на ОУ имеют ограничение по рабочей частоте, так как у них нет необходимой ширины полосы пропускания для получения малого сдвига фаз на высоких частотах. Новые операционные усилители с обратной связью по току имеют гораздо более широкую полосу пропускания, но их очень сложно использовать в схемах генераторов, так как они очень чувствительны к ёмкостям в цепи обратной связи. Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены рабочим диапазоном до сотен кГц из-за низкой полосы пропускания. Пропускная способность снижается при соединении ОУ каскадно из-за умножения фазовых сдвигов.

Генератор на основе моста Вина содержит немного компонентов и имеет хорошую стабильность частоты, но базовая схема имеет высокий коэффициент выходных искажений. Применение АРУ значительно снижает искажения, особенно в нижнем диапазоне частот. Нелинейная обратная связь обеспечивает наилучшие характеристики в средней и верхней частях частотного диапазона. Генератор на основе сдвига фаз имеет высокий уровень искажений, и без буферирования звеньев требует большого коэффициента усиления, что ограничивает его частотный диапазон очень низкой частотой. Снижение цен на операционные усилители и другие компоненты уменьшило популярность таких генераторов. Квадратурный генератор требует для своей работы всего два операционных усилителя, имеет приемлемый уровень нелинейных искажений и с его выходов можно получить синусоидальный и косинусоидальный сигналы. Его недостаток - низкая амплитуда выходного сигнала, которая может быть увеличена путём применения дополнительного каскада усиления, но это приведёт к существенному уменьшению полосы пропускания.

10. Ссылки

1. Graeme, Jerald, Optimizing Op Amp Performance, McGraw Hill Book Company, 1997.
2. Gottlieb, Irving M., Practical Oscillator Handbook, Newnes, 1997.
3. Kennedy, E. J., Operational Amplifier Circuits, Theory and Applications, Holt Rhienhart and Winston, 1988.
4. Philbrick Researches, Inc., Applications Manual for Computing Amplifiers, Nimrod Press, Inc., 1966.
5. Graf, Rudolf F., Oscillator Circuits, Newnes, 1997.
6. Graeme, Jerald, Applications of Operational Amplifiers, Third Generation Techniques, McGraw Hill Book Company, 1973.
7. Single Supply Op Amp Design Techniques, Application Note, Texas Instruments Literature Number SLOA030.

Рон Манчини, Ричард Палмер

Генератор тестового сигнала с низким уровнем гармоник на мосте Вина

Когда нету под рукой качественного генератора синусоидального сигнала - как отлаживать усилитель, который ты разрабатываешь? Приходится обходиться подручными средствами.

В этой статье:

• Высокая линейность при использовании бюджетного ОУ
• Точная система АРУ, вносящая минимум искажений
• Возможность работы от батарейки: минимум помех

Предыстория

В начале тысячелетия подались мы всем семейством на житьё-бытьё в дальние страны. Кое-что из моих электронных запасов последовало за нами, но, увы, далеко не всё. Итак оказался я один на один с большими собранными мною, но совсем ещё не отлаженными моноблоками, без осциллографа, без генератора сигналов, с огромным желанием завершить тот проект и слушать наконец музыку. Осциллограф удалось выпросить у друга во временное пользование. С генератором надо было срочно что-то изобретать самому. По тем порам я ещё не освоился с доступными здесь поставщиками компонентов. Из случайно оказавшихся под рукой операционников было несколько неудобоваримых продуктов древне-советской электронной промышленности, да LM324, выпаянный из сгоревшего компьютерного блока питания.
LM324 datasheet: National/TI , Fairchild , OnSemi ... Обожаю читать даташиты от National - у них обычно масса интересных примеров применения деталюх. OnSemi в данном случае тоже подсуетились. А вот "Цыганёнок" что-то обделил своих приверженцев 🙂

Классика жанра

Помоги автору!

В этой статье были показаны несколько несложных приёмов, позволяющих добиться весьма качественной генерации и усиления синусоидального сигнала , используя широко распространённый недорогой операционный усилитель и полевой транзистор с p-n переходом:

• Ограничение диапазона автоматической регулировки уровня и уменьшение влияния нелинейности регулирующего элемента;
• Смещение выходного каскада ОУ в линейный режим работы;
• Выбор оптимального уровня виртуальной земли для работы от батарейного питания.

Всё ли было понятно? Нашел ли ты что-либо новое, оригинальное в этой статье? Мне будет приятно, если ты оставишь комментарий или задашь вопрос, а так же - поделишься статьёй с друзьями в социальной сети, "кликнув" соответствующую иконку ниже.

Дополнение (Октябрь 2017) Попалось на просторах Сети: http://www.linear.com/solutions/1623 . Сделал два вывода:

1. Ничто не ново под Луной.
2. Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной! Взял бы нормальный ОУ тогда - и получил бы образцово низкий Кг.

This entry was posted in , by . Bookmark the .

Комментарии ВКонтакте

254 thoughts on “Генератор тестового сигнала с низким уровнем гармоник на мосте Вина ”

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом.