Амплитуду синусоидального напряжения генератора

Мощный генератор синусоидального напряжения

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.

Источник

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.

Источник

Глава 8. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ

Генератором синусоидального, или гармо­нического, напряжения (ГСН) называют элект­ронное устройство, преобразующее электрическую энер­гию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний синусоидальной формы.

Различают ГСН с внешним, или независимым, воз­буждением и с самовозбуждением. ГСН с внешним воз­буждением — это резонансные усилители, работающие в режиме больших амплитуд. ГСН с самовозбуждением,называемые обычно автогенераторами, представляют со­бой автономные электронные устройства, в которых гене­рирование электрических колебаний происходит благодаря выполнению условий самовозбуждения. Автогенераторы, как правило, применяются в качестве задающих генера­торов, колебания которых могут использоваться для воз­буждения следующего, более мощного каскада или гене­ратора с внешним возбуждением.

В зависимости от частоты генерируемых колебаний ГСН подразделяются на низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

По виду используемого в ГСН частотноизбнратель-ного четырехполюсника различают LC-генераторы и RC-генераторы синусоидального напряжения.

Любой автогенератор электрических колебаний пред­ставляет собой усилитель, охваченный цепью положи­тельной обратной связи (рис. 8.1). При ПОС часть выход­ного напряжения 0_(К через цепь ПОС поступает на вход усилителя в фазе с входным напряжением, обеспечивающим

Рис. 8.1. Структурная схема автогенератора

заданное значение . Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено уеловие = . Так как = / и = ,то из равенства = следует = / ,или

(8.1)

Уравнение (8.1) является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебании. Ему соответствуют два уравнения:

(8.2)

отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и

(8.3)

отражающее баланс фаз, в котором п = 0, 1, 2, 3, .

Уравнение (8.1) требует от усилителя такого коэффи­циента усиления, при котором полностью компенсируются потери напряжения, поступающего через цепь ПОС.

Уравнение (8.3) определяет условие, при котором в замкнутой системе (усилитель + цепь ПОС) обеспечи­вается ПОС.

Следует отметить, что уравнение (8.2) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. При проектировании автогенератора должно быть выполнено условие K_uβ>1. В этом случае при подаче на автогенератор напряжения питания любые сколь угодно малые напряжения на входе (например, напряжения шумов) будут вызывать возрастающие но амплитуде выходные напряжения. По мере увеличения вследствие нелинейности амплитудной характери­стики усилителя его коэффициент усиления K_u будет уменьшаться, и стационарное состояние установится при K_uβ = 1.

В зависимости от вида амплитудной характеристики усилителя различают мягкий (рис. 8.2, а)и жесткий (рис. 8.2, б) режимы самовозбуждения.На рис. 8.2 кри­вая K_u отражает зависимость выходного напряжения усилителя от входного, поступившего по цепи ПОС, а пря­мая β — зависимость входного напряжения усилителя от выходного.

При мягком режиме самовозбуждения для возникно­вения электрических колебаний в генераторе необходимо и достаточно выполнение условий (8.2) и (8.3). При жестком режиме самовозбуждения, кроме этих условий, для возникновения колебаний в первоначальный момент

Рис. 8.2. Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и

жестким (б) режимами самовозбуждения

на входе усилителя необходимо задать напряжение U_вх > U_вх1.

Для получения синусоидального выходного напряже­ния необходимо, чтобы условия (8.2) и (8.3) выполня­лись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный коле­бательный LC-контур (последовательный контур приме­няется очень редко) и RC-цепи.

LC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Существует множество схем LC-генераторов, которые отличаются между собой способами включения колеба­тельного контура и создания ПОС. На рис. 8.3, а приве­дена схема автогенератора с индуктивной трансформа­торной (схема Майсснера) ПОС. Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре L_кC_к при подключении к генератору источника питания E_к, через обмотку L_б

Рис. 8.3.Схемы транзисторных LС-автогенераторов с индуктивной

трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью

передаются в базовую цепь транзистора VT Обмотка L_б трансформатора Т включена таким образом, что возни­кающая при этом переменная составляющая коллектор­ного тока усиливает переменную составляющую контур­ного тока, т. е. за счет взаимоиндукции М между усили телем и колебательным контуром действует ПОС. Конденсатор С_р предотвращает протекание через контур по­стоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель L_думеньшает шунтирование контура по переменно­му току внутренним сопротивлением источника пита­ния Е_к.

Баланс амлитуд в автогенераторе с трансформатор­ной связью достигается выбором необходимого коэффи­циента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки L_б), а баланс фаз — правильным выбором концов катушки L_б (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине).

Вместо трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 8.3, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками.

Рис. 8.4.Обобщенная трехточечная схема автогенератора.

Обобщенная трехто­чечная схема автогенератора по пе­ременному току показана на рис. 8.4. Характер элементов X₁, X₂ и Х₃ коле­бательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая:

если Х₁ имеет индуктивный харак­тер, то сумма реактивных сопротив­
лений Х₂ И Х₃ должна носить емкостный характер;

если Х₁ имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х₂ и Х₃ должна носить индуктивный характер.

В обоих случаях сопротивление суммы Х₂ + Х₃ должно равняться сопротивлению Х₁.

Характер реактивности элемента Х₂, с которого сни­мается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента Х₁. Только в этом случае ОС будет положительной.

Схему автогенератора, у которого Х₁ и Х₂ — индуктив­ные катушки, а Х₃ — конденсатор, называют индуктив­ной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого Х₁ и Х₂ — конденсаторы, а Х₃ — катушка индуктивности (рис. 8.5), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой (схемой Колпитца).

Во всех рассмотренных типах автогенераторов ча­стота генерируемых колебаний в основном определяется элементами контура

(8.4)

Для автогенератора, выполненного по емкостной трехто­чечной схеме, под С_к следует понимать емкость С1 * С2/(С1 + С2).

Рис. 8.5. Транзисторный LC-автогене-ратор, выполненный по схеме «емкост­ная трехточка».

Рис. 8.6. Схема LC-автогенератора на ОУ.

Для построения LC-генераторов гармонических коле­баний удобно использовать интегральные усилители: однокаскадные, дифференциальные, операционные и др. На рис. 8.6 показан вариант возможной реализации LC-генератора синусоидальных напряжений на интегральном ОУ. Колебательный контур LC включается между вы­ходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нуж­ную ПОС. В цепь ООС для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний включают терморезистор R с отрицательным TKR.Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.

RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

На частотах менее 50 кГц вследствие увеличения требуемых значений L и С увеличиваются размеры кату­шек и конденсаторов и одновременно ухудшается доброт­ность колебательного контура и стабильность его пара­метров. Поэтому на низких частотах вместо LC-автогенераторов обычно используют RС-автогенераторы, которые в этом диапазоне частот, особенно в нижней его части, обладают существенными преимуществами.

Частотно-зависимыми четырехполюсниками, исполь­зуемыми в RС-генераторах, являются Г-образные RC-цепи (рис. 1.20, а, 1.21, а),двойная Г-образная цепь, или мост Вина (рис. 1.22, а), Т-образные мосты RC (рис. 1.23, а, б)и двойной Т-образный мост (рис. 1,24, а). Из этих четырехполюсников наибольшее применение в RС-генераторах нашли мост Вина и двойной Т-образнын мост.

На рис. 8.7 а, б показаны передаточная (АЧХ) и фазочастотная характеристики моста Вина. Из рисунка видно,

Рис. 8.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики моста Вина,

используемого в транзисторном RС-генераторе (в)

что на некоторой частоте f₀, называемой частотой квази­резонанса, коэффициент передачи моста Вина оказы­вается вещественной величиной с максимальным значе­нием β₀ = 1/3 и нулевым фазовым сдвигом φ_β = 0°. Так как один каскад усиления вносит фазовый сдвиг φ_u = 180°, то для получения нулевого фазового сдвига на входе усилителя усилитель должен содержать четное число инвертирующих каскадов (рис. 8.7, в). Для вы­полнения условия баланса амплитуд (8.2) на частоте квазирезонанса усилитель должен иметь коэффициент усиления К_и ≥ 3. Так как в двухкаскадном усилителе можно получить К_и » 3, то это позволяет ввести в усили­тель, кроме положительной, отрицательную ОС, обеспе­чиваемую элементами R_э1 и R3. Введение в цепь ООС терморезистора R3 с отрицательным TKR позволяет осуществить стабилизацию амплитуды генерируемых ко­лебаний. Действительно, увеличение амплитуды, вызван­ное различными факторами, вызывает увеличение тока через резистор R3. При этом сопротивление его умень­шается, что приводит к увеличению напряжения ООС, создаваемого на R_э1,и уменьшению коэффициента усиле­ния усилителя.

Обычно элементы моста Вина выбираются из условий:

При этом частота генерируемых колебаний

(8.5)

Однако ввиду шунтирования резистора R2 входным сопротивлением усилителя и делителем в цепи базы тран­зистора VT1 условие R1 = R2 не выполняется. В резуль­тате генерируемая частота оказывается зависящей не только от значений элементов R1, R2, С1 и С2, но и от параметров усилителя, а коэффициент усиления усили­теля, при котором выполняется условие баланса ампли­туд, может существенно превышать значение 3.

RС-генератор с мостом Вина легко выполнить на ин­тегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и неинвертирующим входом (рис. 8.8). С по­мощью переменного резистора R4 можно изменять коэф­фициент усиления усилителя, добиваясь наименьших не­линейных искажений генерируемых колебаний.

RС-генератор с мостом Вина легко сделать перестраи­ваемым по частоте. Для этого вместо резисторов R1 и R2 следует использовать сдвоенный переменный резистор либо вместо конденсаторов С1 и С2 — сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости.

В качестве избирательного четырехполюсника RC-генератора используются также Т-образный или двойной Т-образный мост. На квазирезонансной частоте f₀=f_р коэффициент передачи двойного симметричного Т-образ­ного моста (см. рис. 1.24, б)равен нулю. Следовательно, нулю будет равен и фазовый сдвиг на этой частоте. При включении такого моста в цепь ООС усилителя на частоте

Рис.8.8. Схема RC-генератора на ОУ с мостом Вина

Рис. 8.9. Схема RC-генератора на ОУ с двойным Т-образным мостом

f₀ напряжение ООС равно нулю и увеличивается по мере удаления частоты от квазирезонансной в ту или другую сторону. Следовательно, для построения RC-генератора с двойным Т-образным мостом мост необходимо включать в цепь ООС (рис. 8.9). С помощью делителя R1R2 создается необходимая ПОС, при которой обеспе­чивается генерация на частоте f₀. Частота генерируемых колебаний определяется из выражения (8.5).

Источник