ТОП 10:

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 части 7, и передаточная функция для этой схемы выводится с помощью построений, описанных там. Совершенно очевидно, что Z1 = RG, Z2 = RF, Z3 = (R1 + 1/sC1) и Z4 = (R2||1/sC2). Петля разрывается между выходом и Z1, напряжение VTEST подаётся на Z1, и отсюда рассчитывается VOUT. Напряжение положительной ОС V+, рассчитывается первым, с помощью уравнений (10..12). Уравнение (10) показывает простой делитель напряжения у неинвертирующего входа. Каждый член умножается на (R2C2s + 1) и делится на R2, что даёт в результате уравнение (11).

(10)

(11)

Подставляя s = jω0, где jω0 является частотой генерации, jω1 = 1/R1C2, and jω2 = 1/R2C1, получаем уравнение (12).

(12)

Теперь становятся очевидными некоторые интересные отношения. Конденсатор у нуля, представленный ω1, и конденсатор на полюсе, представленный ω2, должны вносить фазовый сдвиг по 90° каждый, что необходимо для генерации на частоте ω0. Это требует что бы C1 = C2 и R1 = R2. Выбрав ω1 и ω2 равными ω0, 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)

(13)

Усиление A части отрицательной обратной связи должно быть установлено таким, что бы |Aβ| = 1, что требует A = 3. Что бы это условие выполнялось, RF должно быть в два раза больше, чем RG. Операционный усилитель на рисунке 7 использует однополярное питание, так что необходимо использовать опорное напряжение VREF для смещения постоянной составляющей выходного сигнала, что бы его амплитуда была в диапазоне от нуля до напряжения питания и искажения были бы минимальны. Подача VREF на положительный вход ОУ через резистор R2 ограничивает протекание постоянного тока через отрицательную ОС. Напряжение VREF 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 [7]). При использовании двухполярного питания VREF заземляется.

Окончательная схема изображена на рисунке 8, с параметрами компонентов, выбранными для частоты генерации ω0 = 2πf0, где f0 = 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 RF, и генерация прекращается при уменьшении сопротивления RF всего на 0.8%.

Рис. 8. Окончательная схема генератора на мосте Вина.

Скачать LTspice модель. Подробнее о программе LTspice можно прочитать здесь.

Рис. 9. Осциллограммы выходного сигнала: влияние RF 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 RG, как показано на рисунке 10. Сопротивление лампы, RLAMP выбрано равным половине сопротивления обратной связи, RF, при токе, протекающим через лампу, зависящим от RF и RLAMP. 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 fOSC = 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.

Скачать LTspice модель, а так же библиотеку с лампой накаливания.

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 [4]. 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, tthermal [5]. При подходе частоты генерации fOSC к tthermal искажения выходного сигнала сильно возрастают. Для уменьшения искажений можно применить последовательное соединение нескольких ламп, что увеличит tthermal. 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 (RDS) будет низкое. При этом сопротивления RG2+RS+RDS соединяются параллельно с RG1, 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 C1 начинает заряжаться, что обеспечивает постоянное напряжение на затворе транзистора Q1. Резистор R1 ограничивает ток и устанавливает постоянную времени заряда конденсатора C1 (которая должна быть гораздо больше периода частоты fOSC). Когда коэффициент усиления достигнет трёх, то выходной сигнал стабилизируется. Искажение АРУ составляют менее 0,2%.

Схема на рисунке 12 имеет смещение VREF 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 VREF. 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.

Скачать LTspice модель.

Рис. 13. Выходной сигнал схемы с рисунка 12.







Последнее изменение этой страницы: 2016-09-19; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.93.74.227 (0.005 с.)