Мост вина принцип работы – Генератор с мостом Вина

Генератор с мостом Вина

В данной статье мы поговорим про генератор с мостом Вина, подробно опишем принцип работы, схемы, сдвиг фазы, частоту генератора, а так же уравнения.

Описание и принцип работы

В статье генератора RC мы увидели, что несколько резисторов и конденсаторов могут быть соединены вместе с инвертирующим усилителем для создания колебательного контура.

Один из простейших генераторов синусоидальной волны, использующий RC-сеть вместо обычного LC-настроенного резервуарного контура для получения синусоидальной формы выходного сигнала, называется генератор с мостом Вина.

Генератор с мостом Вина называется так потому , что схема основана на частотно-избирательном виде мостовой схемы Уитстона. Генератор с мостом Вина представляет собой двухступенчатый RC- усилитель со связанными усилителями, который обладает хорошей стабильностью на своей резонансной частоте, низким уровнем искажений и очень прост в настройке, что делает его популярной схемой в качестве генератора звуковой частоты, но фазовый сдвиг выходного сигнала значительно отличается от предыдущего фазового сдвига RC-генератора

.

Генератор с мостом Вина использует цепь обратной связи, состоящей из серии RC цепи, соединенной с параллельным RC одних и тех же значений компонентов, создающих схему задержки фазы заранее в зависимости от частоты. На резонансной частоте ƒr сдвиг фаз равен 0 o . Рассмотрим схему ниже.

RC фазовая сеть смещения

Вышеупомянутая RC — сеть состоит из последовательной RC- цепи, соединенной с параллельной RC, образующей в основном фильтр верхних частот, подключенный к фильтру нижних частот, производящий очень избирательный частотно-зависимый полосовой фильтр второго порядка с высокой добротностью на выбранной частоте ƒr.

На низких частотах реактивное сопротивление последовательного конденсатора С1 очень велико, поэтому действует как разомкнутая цепь, блокируя любой входной сигнал на Vin, что приводит к практически отсутствию выходного сигнала Vout. Аналогично, на высоких частотах реактивное сопротивление параллельного конденсатора C2 становится очень низким, поэтому этот параллельно подключенный конденсатор действует немного как короткое замыкание на выходе, поэтому снова нет выходного сигнала.

Таким образом, между этими двумя крайними значениями C1 должна быть разомкнутая цепь, а C2 — короткое замыкание, где выходное напряжение OUT достигает своего максимального значения. Значение частоты входного сигнала, на котором это происходит, называется резонансной частотой осцилляторов ƒr.

На этой резонансной частоте реактивное сопротивление цепи равно ее сопротивлению, то есть: Xc = R, а разность фаз между входом и выходом равна нулю градусов. Следовательно, величина выходного напряжения максимальна и равна одной трети входного напряжения, как показано ниже.

Усиление на выходе генератора и сдвиг фазы

Можно видеть, что на очень низких частотах фазовый угол между входным и выходным сигналами является «положительным», в то время как на очень высоких частотах фазовый угол становится «отрицательным». В середине этих двух точек схема находится на своей резонансной частоте

ƒr с двумя сигналами «в фазе» или 0 o. Поэтому мы можем определить эту точку резонансной частоты следующим выражением.

Частота генератора с мостом Вина


Где:
ƒr — резонансная частота в герцах
R — сопротивление в омах
C — емкость в Фарадах

Ранее мы говорили, что величина выходного напряжения Vout от RC-сети находится на своем максимальном значении и равна одной трети (1/3) входного напряжения Vin, чтобы учесть возникновение колебаний. Но почему одна треть, а не какая-то другая ценность. Чтобы понять, почему выходной сигнал вышеупомянутой RC-цепи должен составлять одну треть, то есть 0,333xVin , мы должны рассмотреть комплексное сопротивление ( Z = R ± jX ) двух подключенных RC-цепей.

Мы знаем из нашей теории переменного тока, что действительная часть комплексного сопротивления является сопротивление R, а мнимая часть реактивного сопротивления X. Поскольку мы имеем дело с конденсаторами, часть реактивного сопротивления будет емкостным реактивным сопротивлением

Xc.

Сеть RC

Если мы перерисовали вышеуказанную RC-сеть, как показано, мы ясно увидим, что она состоит из двух RC-цепей, соединенных вместе с выходом, взятым из их соединения. Резистор 1 и конденсатор 1 образуют верхнюю последовательную сеть, тогда как резистор 2 и конденсатор 2 образуют нижнюю параллельную сеть.

Поэтому общее сопротивление постоянного тока в комбинации серии ( 1 C 1 ) мы можем назвать, S и полное сопротивление параллельной комбинации ( 2 C 2 ) мы можем назвать, Р . Поскольку S и P эффективно соединены вместе последовательно на входе V

IN , они образуют сеть делителя напряжения с выходом, взятым через P, как показано.

Давайте предположим, то, что значения компонентов R 1 и 2 являются одинаковыми по индексу: 12kΩ , конденсаторы C 1 и 2 являются одинаковыми по индксу: 3.9nF и частота питания, ƒ является 3.4kHz.

Полное сопротивление последовательной комбинации с резистором R 1 и конденсатором 1 просто:

Теперь мы знаем, что при частоте питания 3,4 кГц реактивное сопротивление конденсатора такое же, как сопротивление резистора при 12 кОм . Тогда это дает нам верхний ряд импеданса Z S от 17kΩ .

Для нижнего параллельного импеданса Z P , так как два компонента параллельны, мы должны рассматривать это по-разному, потому что импеданс параллельной цепи зависит от этой параллельной комбинации.

Общий импеданс нижней параллельной комбинации с резистором R 2 и конденсатором C 2 задается как:

При частоте питания 3400 Гц или 3,4 кГц суммарный импеданс постоянного тока параллельной RC-цепи становится равным 6 кОм ( R | Xc ), а векторная сумма этого параллельного импеданса рассчитывается как:

Итак, теперь у нас есть значение для векторной суммы импеданса индекса: 17 кОм (Z S = 17 кОм) и для параллельного импеданса: 8,5 кОм (Z P  = 8,5 кОм). Следовательно, полное выходное сопротивление Zout сети делителя напряжения на заданной частоте равно:

Тогда при частоте колебаний величина выходного напряжения Vout будет равна Zout x Vin, которая, как показано, равна одной трети (1/3) входного напряжения Vin, и именно эта частотно-избирательная RC- сеть образует основу схемы осциллятора с мостом Вина .

Если теперь мы разместим эту RC — сеть через неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 + R1 / R2

, то получится следующая базовая схема мостового генератора Вина.

Схема генератора с мостом Вина

Выход операционного усилителя подается обратно на оба входа усилителя. Одна часть сигнала обратной связи подключается к инвертирующей входной клемме (отрицательная или дегенеративная обратная связь) через сеть делителей резисторов R1 и R2, что позволяет регулировать усиление напряжения усилителей в узких пределах.

Другая часть, которая образует последовательные и параллельные комбинации R и C, образует сеть обратной связи и подается обратно на неинвертирующий входной терминал (положительная или регенеративная обратная связь) через сеть RC моста Вина, и именно эта комбинация положительной обратной связи рождает колебания.

Сеть RC подключена к тракту усилителя с положительной обратной связью и имеет нулевой сдвиг фазы всего на одну частоту. Тогда на выбранной резонансной частоте ƒr напряжения, приложенные к инвертирующему и неинвертирующему входам, будут равны и «синфазны», так что положительная обратная связь подавит сигнал отрицательной обратной связи, вызывая колебание схемы.

Усиление напряжения схемы усилителя должно быть равно или больше трех, чтобы колебания могли начаться, потому что, как мы видели выше, вход составляет 1/3 от выхода. Это значение ( Av ≥ 3 ) устанавливается сетью резисторов обратной связи R1 и R2, а для неинвертирующего усилителя оно задается как отношение 1+ (R1 / R2).

Кроме того, из-за ограничений усиления операционного усилителя в разомкнутом контуре частоты выше 1 МГц недостижимы без использования специальных высокочастотных операционных усилителей.

Резюме генератора с мостом Вина

Чтобы колебания возникали в цепи генератора с мостом Вина, должны выполняться следующие условия.

  • При отсутствии входного сигнала осциллятор с мостом Вина генерирует непрерывные колебания на выходе.
  • Генератор с мостом Вина может воспроизводить большой диапазон частот.
  • Усиление напряжения усилителя должно быть больше 3.
  • Сеть RC может использоваться с неинвертирующим усилителем.
  • Входное сопротивление усилителя должно быть высоким по сравнению с R, чтобы сеть RC не была перегружена и не изменила требуемые условия.
  • Выходное сопротивление усилителя должно быть низким, чтобы влияние внешней нагрузки было минимальным.
  • Должен быть предусмотрен какой-то метод стабилизации амплитуды колебаний. Если усиление напряжения усилителя слишком мало, требуемые колебания затухают и прекращаются. Если оно слишком велико, выходной сигнал будет насыщен до значения питающих шин и искажен.
  • При стабилизации амплитуды в виде диодов с обратной связью колебания от осциллятора с мостом Вина могут продолжаться бесконечно.

В нашем заключительном обзоре осцилляторов мы рассмотрим кварцевый генератор, который использует кварцевый кристалл в качестве контура резервуара для получения высокочастотного и очень стабильного синусоидального сигнала.

meanders.ru

RС-генераторы с мостом Вина: схема, принцип работы, формула

Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. 2.65.

При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f0, напряжение на выходе uвых равно нулю (при ненулевом входном напряжении uвх. Легко показать, что f0= 1 / ( 2π · R · C ) Иногда мостом Вина называют схему, приведенную на рис. 2.66.

На частоте f0 коэффициент передачи такой схемы β =uвых/uвх=⅓. Далее мостом Вина будем называть первую схему с конфигурацией, действительно характерной для мостовых схем, а схему на рис. 2.66 — упрощенным мостом Вина.

В реальных схемах генераторов для поддержания колебаний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряжение uвых несколько отличалось от нуля.

Поэтому реально мост работает с некоторым рассогласованием, когда отношение сопротивлений R1/R2 — несколько отличается от 2 (более точно, R

1/R2 > 2).

Для генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если в схеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчивая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (к примеру, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического.

Схемы автоматической стабилизации амплитуды могут быть достаточно сложными и содержать, к примеру, несколько дополнительных операционных усилителей.

Изобразим схему генератора на операционном усилителе с очень простой схемой автоматической стабилизации амплитуды (рис. 2.67), которую обеспечивают диоды. Поясним их роль на следующем примере.

Если по каким-либо причинам амплитуда напряжения на выходе uвых увеличилась, то увеличится амплитуда полуволн тока, проходящих через диоды. Но это приведет к тому, что для каждого диода уменьшится дифференциальное сопротивление и сопротивление на постоянном токе для соответствующих моментов времени.

Это эквивалентно уменьшению сопротивления в цепи между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом.

Но такое уменьшение, как известно, приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя на основе ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). В результате выходное напряжение уменьшится, возвратившись к исходному значению. Назначение потенциометра — регулирование амплитуды выходного напряжения.

Предыдущую схему можно представить так, как показано на рис. 2.68.

Тогда становится очевидным, что пунктиром обведен усилитель, представляющий из себя ОУ, охваченный цепью ООС и имеющий коэффициент усиления K. С помощью частотно-зависимой RС-цепи (упрощенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью положительной обратной связи.

На частоте f0 коэффициент передачи упрощенного моста Вина β = 1/3. Следовательно, для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы K· β > 1, т. е. (пренебрегая прямым сопротивлением диодов D1 и D2) [1 + ( R1 + R2 ) / R3 ] · ⅓ ≥ 1 или R1 + R2 ≥ 2Rт. е. получаем тот же результат, что и ранее, но более строго.

 При практическом применении подобных генераторов нагрузку часто желательно подключать через дополнительный так называемый буферный усилительный каскад.

pue8.ru

Генератор синусоидального сигнала на мосту Вина

В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.

В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно: Программа Audacity как простой генератор звука и шума

Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).

Мост Вина

Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух RC фильтров. Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.

Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:

Картинка позаимствована у Википедии

Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже

Как рассчитать частоту

На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C. Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:

f=1/2πRC

Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.

Zc=1/ωC=1/2πνC

где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν

Мост Вина и операционный усилитель

Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе.  Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.

Коэффициент усиления на троечку

Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3. Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.

Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.

Это неинвертирующий усилитель и его коэффициент усиления определяется соотношением:  K=1+R2/R1

Но увы, мир не идеален.… На практике оказывается, что для запуска генерации необходимо, чтобы в самый начальный момент коэфф. усиления был немного больше 3-х, а далее для стабильной генерации он поддерживался равным 3.

Если коэффициент усиления будет меньше 3, то генератор заглохнет, если больше — то сигнал, достигнув напряжения питания, начнет искажаться, и наступит насыщение.

При насыщении, на выходе будет поддерживаться напряжение, близкое к одному из напряжений питания. И будут происходить случайные хаотичные переключения между напряжениями питания.

Поэтому, строя генератор на мосте Вина, прибегают к использованию нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи, регулирующего коэффициент усиления. В таком случае генератор будет сам себя уравновешивать и поддерживать генерацию на одинаковом уровне.

Стабилизация амплитуды на лампе накаливания

В самом классическом варианте генератора на мосте Вина на ОУ, применяется миниатюрная низковольтная лампа накаливания, которая устанавливается вместо резистора.

При включении такого генератора, в первый момент, спираль лампы холодная и ее сопротивление мало. Это способствует запуску генератора (K>3). Затем, по мере нагрева, сопротивление спирали увеличивается, а коэффициент усиления снижается, пока не дойдет до равновесия (K=3).

Цепь положительной обратной связи, в которую был помещен мост Вина, остается без изменений. Общая принципиальная схема генератора выглядит следующим образом:

Элементы положительной обратной связи ОУ определяют частоту генерации. А элементы отрицательной обратной связи — усиление.

Идея использования лампочки, в качестве управляющего элемента очень интересна и используется по сей день. Но у лампочки, увы, есть ряд недостатков:

  • требуется подбор лампочки и токоограничивающего резистора R*.
  • при регулярном использовании генератора, срок жизни лампочки обычно ограничивается несколькими месяцами
  • управляющие свойства лампочки зависят от температуры в комнате.

Другим интересным вариантом является применение терморезистора с прямым подогревом. По сути, идея та же, только вместо спирали лампочки используется терморезистор. Проблема в том, что его нужно для начала найти и опять таки подобрать его и токоограничиващие резисторы.

Стабилизация амплитуды на светодиодах

Эффективным методом стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов является применение в цепи отрицательной обратной связи ОУ светодиодов (VD1 и VD2).

Основной коэффициент усиления задается резисторами R3 и R4. Остальные же элементы (R5, R6 и светодиоды) регулируют коэффициент усиления в небольшом диапазоне, поддерживая генерацию стабильной. Резистором R5 можно регулировать величину выходного напряжения в интервале примерное 5-10 вольт.

В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы (R5 и R6). Это позволит пропускать значительный ток (до 5мА) через светодиоды и они будут находиться в оптимальном режиме. Даже будут немного светиться 🙂

На показанной выше схеме, элементы моста Вина рассчитаны для генерации на частоте 400 Гц, однако они могут быть легко пересчитаны для любой другой частоты по формулам, представленным в начале статьи.

Качество генерации и применяемых элементов

Важно, чтобы операционный усилитель мог обеспечить необходимый для генерации ток и обладал достаточной полосой пропускания по частоте. Использование в качестве ОУ народных TL062 и TL072 дало очень печальные результаты на частоте генерации 100кГц. Форму сигнала было трудно назвать синусоидальной, скорее это был треугольный сигнал. Использование TDA 2320 дало еще более худший результат.

А вот NE5532 показа себя с отличной стороны, выдав на выходе сигнал очень похожий на синусоидальный. LM833 так же справилась с задачей на отлично. Так что именно NE5532 и LM833 рекомендуются к использованию как доступные и распространенные качественные ОУ. Хотя с понижением частоты гораздо лучше себя будут чувствовать и остальные ОУ.

Точность частоты генерации напрямую зависит от точности элементов частотозависимой цепи. И в данном случае важно не только соответствие номинала элемента надписи на нем. Более точные детали имеют лучшую стабильность величин при изменении температуры.

В авторском варианте были применены резистор типа С2-13 ±0.5% и слюдяные конденсаторы точностью ±2%. Применение резисторов указанного типа обусловлено малой зависимостью их сопротивления от температуры. Слюдяные конденсаторы так же мало зависят от температуры и имеют низкий ТКЕ.

Минусы светодиодов

На светодиодах стоит остановиться отдельно. Их использование в схеме синус генератора вызвано величиной падения напряжения, которое обычно лежит в интервале 1.2-1.5 вольта. Это позволяет получать достаточно высокое значение выходного напряжения.

После реализации схемы, на макетной плате, выяснилось, что из-за разброса параметров светодиодов, фронты синусоиды на выходе генератора не симметричны. Это немного заметно даже на приведенной выше фотографии. Помимо этого присутствовали небольшие искажения формы генерируемого синуса, вызванные недостаточной скоростью работы светодиодов для частоты генерации 100 кГц.

Диоды 4148 вместо светодиодов

Светодиоды были заменены на всеми любимые диоды 4148. Это доступные быстродействующие сигнальные диоды со скоростью переключения менее 4 нс. Схема при этом осталась полноценно работоспособной, от описанных выше проблем не осталось и следа, а синусоида приобрела идеальный вид.

На следующей схеме элементы моста вина рассчитаны на частоту генерации 100 кГц. Так же переменный резистор R5 был заменен на постоянные, но об этом позже.

В отличие от светодиодов, падение напряжения на p-n переходе обычных диодов составляет 0.6÷0.7 В, поэтому величина выходного напряжения генератора составила около 2.5 В. Для увеличения выходного напряжения возможно включение нескольких диодов последовательно, вместо одного, например вот так:

Однако увеличение количества нелинейных элементов сделает генератор более зависимым от внешней температуры. По этой причине было решено отказаться от такого подхода и использовать по одному диоду.

Замена переменного резистора постоянными

Теперь о подстроечном резисторе. Изначально в качестве резистора R5 был применен многооборотный подстроечный резистор на 470 Ом. Он позволял точно регулировать величину выходного напряжения.

Использование переменного резистора в подобных цепях нежелательно по двум основным причинам:

  • ненадежность подвижного контакта
  • наличие у многооборотных подстроечных резисторов паразитной индуктивности, которая может отрицательно сказаться на качестве выходного сигнала

При построении любого генератора крайне желательно наличие осциллографа. Переменный резистор R5 напрямую влияет на генерацию — как на амлитуду так и на стабильность.

Для представленной схемы генерация стабильна лишь в небольшом интервале сопротивлений этого резистора. Если соотношение сопротивлений больше требуемого — начинается клиппинг, т.е. синусоида будет подрезаться сверху и снизу. Если меньше — форма синусоиды начинает искажаться, а при дальнейшем уменьшении генерация глохнет.

Так же это зависит от используемого напряжения питания. Описываемая схема исходно была собрана на ОУ LM833 с питанием ±9В. Затем, без изменения схемы, ОУ были заменены на AD8616, а напряжение питания на ±2,5В (максимум для этих ОУ). В итоге такой замены синусоида на выходе подрезалась. Подбор резисторов дал значения 210 и 165 ом, вместо 150 и 330 соответственно.

Как подобрать резисторы «на глаз»

В принципе можно оставить и подстроечный резистор. Все зависит от требуемой точности и генерируемой частоты синусоидального сигнала.

Для самостоятельного подбора следует, в первую очередь, установить подстроечный резистор номиналом 200-500 Ом. Подав выходной сигнал генератора на осциллограф и вращая подстроечный резистор дойти до момента когда начнется ограничение.

Затем понижая амплитуду найти положение, в котором форма синусоиды будет наилучшей.Теперь можно выпаять подстроечник, замерить получившиеся величины сопротивлений и впаять максимально близкие значения.

Если вам требуется генератор синусоидального сигнала звуковой частоты, то можно обойтись и без осциллографа. Для этого, опять таки, лучше дойти до момента когда сигнал, на слух, начнет искажаться из-за подрезания, а затем убавить амплитуду. Убавлять следует до тех пор пока искажения не пропадут, а затем еще немного. Это необходимо т.к. на слух не всегда можно уловить искажения и в 10%.

Дополнительное усиление

Генератор синуса был собран на сдвоенном ОУ, и половина микросхемы осталась висеть в воздухе. Поэтому логично задействовать ее под регулируемый усилитель напряжения. Это позволило перенести переменный резистор из дополнительной цепи ОС генератора в каскад усилителя напряжения для регулировки выходного напряжения.

Применение дополнительного усилительного каскада гарантирует лучшее согласование выхода генератора с нагрузкой. Он был построен по классической схеме неинвертирующего усилителя.

Указанные номиналы позволяют изменять коэффициент усиления от 2 до 5. При необходимости номиналы можно пересчитать под требуемую задачу. Коэффициент усиления каскада задается соотношением:

K=1+R2/R1

Резистор R1 представляет из себя сумму последовательно включенных переменного и постоянного резисторов. Постоянный резистор нужен, чтобы при минимальном положении ручки переменного резистора коэффициент усиления не ушел в бесконечность.

Как умощнить выход

Генератор предполагался для работы на низкоомную нагрузку в несколько Ом. Разумеется ни один маломощный ОУ не сможет выдать необходимый ток.

Для умощнения, на выходе генератора разместился повторитель на TDA2030. Все вкусности такого применения этой микросхемы описаны в статье Схема повторителя напряжение на ОУ. Мощный повторитель напряжения на TDA2030.

А вот так собственно выглядит схема всего синусоидального генератора с усилителем напряжения и повторителем на выходе:

Генератор синуса на мосту Вина можно собрать и на самой TDA2030 в качестве ОУ. Все зависит от требуемой точности и выбранной частоты генерации.

Если нет особых требований к качеству генерации и требуемая частота не превышает 80-100 кГц, но при этом предполагается работа на низкоомную нагрузку, то этот вариант вам идеально подойдет.

Заключение

Генератор на мосту Вина — это не единственный способ генерации синусоиды. Если вы нуждаетесь в высокоточной стабилизации частоты то лучше смотреть в сторону генераторов с кварцевым резонатором.

Однако, описанная схема, подойдет для подавляющего большинства случаев, когда требуется получение стабильного, как по частоте так и по амплитуде, синусоидального сигнала.

Генерация это хорошо, а как точно измерить величину переменного напряжения высокой частоты? Для это отлично подходит схема которая называется Активный выпрямитель.

Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru

Follow @AudioGeek_ru

audiogeek.ru

Генератор синусоиды с мостом Вина с низким уровнем искажений

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 🙂

Внимание: автор ни в коем случае не рекомендует использование LM324 при повторении конструкции. Целью написания данной статьи было желание поделиться несколькими рабочими приёмами в схемотехнике, которые могут оказаться полезными в других приложениях. При повторении данного генератора, пожалуйста, выбирайте современные, более качественные ОУ.

Классика жанра

Генератор, использующий мост Вина, вне сомнений хорошо известен и распространён среди любителей и профессионалов. Предлагаемое в данной статье решение содержит пару интересных трюков и позволит даже начинающему радиолюбителю без особых проблем и из доступных компонентов собрать генератор, вырабатывающий синусоидальный сигнал с исключительно низким коэффициентом гармоник.

Генератор с мостом Вина

Частота данного генератора, при условии R1=R2 и C1=C2 будет определяться следующей формулой:

На данной частоте коэффициент передачи фильтра (выделен зелёным) будет максимален и равен 1/3 при нулевом фазовом сдвиге. Следовательно, коэффициент усиления, задаваемый цепью отрицательной обратной связи R3 и R4 должен быть в точности равен 3. Для случая идеального ОУ: R4 = 2 * R3.
К сожалению, в реальной жизни не бывает идеально точных резисторов и конденсаторов, да и коэффициент усиления реального операционного усилителя не бесконечен. При малейшем отклонении от идеальных параметров генерация либо затухает, либо уходит "в разнос" до совершенно неприемлемого уровня искажений.

Автоматическая Регулировка Коэффициента Усиления

Решение проблемы обеспечения требуемого Ку давно известно: применить в качестве R3 или R4 какой-нибудь нелинейный или управляемый элемент, который будет подстраиваться таким образом, чтобы обеспечить заданный Ку при некоем определённом размахе выходного сигнала. Обычно ставят терморезисторы, миниатюрные лампочки, оптроны, либо полевые транзисторы (наш случай). Для достижения низкого THD необходимо обеспечить, чтобы нелинейность данного управляющего элемента не проявлялась на частотах генерации. Для лампочек и терморезисторов на частотах генерации от десятков Герц и выше это условие легко выполнимо за счёт тепловой инерционности оных. Полевым же транзистором необходимо управлять используя детектор с сообразно большой постоянной времени.

 

Почти реальный генератор с мостом Вина

Схема, приведённая выше, скорее всего, будет работать. Фиолетовым выделен пиковый детектор. VT1 выполняет роль R3 из предыдущего примера. Схема запускается уверенно, так как при включении на затворе VT1 присутствует нулевое напряжение с разряженного C3 - канал открыт, следовательно Ку максимальный. По мере заряда C3 канал запирается, Ку уменьшается и в идеале схема находит тот самый баланс, при котором Ку равен трём и генератор вырабатывает неискажённую синусоиду.

Но есть всё же две проблемы:

Во-первых, петлевое усиление "сине-фиолетовой" цепи Автоматического Регулирования Уровня сигнала слишком большое и возможно возникновение низкочастотных колебаний с постоянной времени АРУ, заданной R7C3. Проявляться это будет в прерывистом и искажённом сигнале на выходе: то есть генерация, то нету, и так по кругу.

Во-вторых, все нелинейности канала сток-исток VT1 в полном объёме будут замешаны в выходной сигнал.

 

Повышаем устойчивость АРУ и линейность

Решение обеих проблем достаточно тривиально: "позволить" полевому транзистору изменять общий Ку лишь в небольших пределах, скажем примерно от 2.5 до 3.5. В финальном варианте генератора через канал транзистора протекает лишь незначительная часть тока цепи ООС. Таким образом резко снижается влияние нелинейностей канала на форму генерируемого сигнала. Уменьшению искажений способствует и тот факт, что в данном включении размах напряжения на канале составляет лишь небольшую долю от того, что было в "сине-фиолетовом" варианте. Так же снижается и петлевое усиление цепи АРУ. Схема надёжно выходит в режим генерации и стабилизации амплитуды выходного сигнала.

Генератор синусоидального сигнала с малыми искажениями
  • R1, R2 = 100 кОм
  • C1, C2 = 1 нФ = 1000 пФ
  • R4 = 10 кОм
  • R3 = 3.9 кОм
  • R5 = 3 кОм
  • VT1 = КП103И
  • R6 = 470 Ом
  • C3 = 2.2 мкФ
  • R7 = 1 МОм
  • R8 = 10 кОм

В качестве VT1 можно применить практически любой p-канальный J-FET. От его порогового напряжения будет впрямую зависеть амплитуда генерируемого сигнала. Возожно использовать и n-канальный J-FET - они более доступны; для этого необходимо только сменить полярность (перевернуть) VD1 и C3. Если амплитуда на выходе окажется недостаточной, то вполне можно второй ОУ использовать для небольшого усиления амплитуды сигнала.

Данная схема, как она есть, будет работать отлично... если применить топовые модели операционных усилителей.

 

Выходной каскад бюджетного ОУ - в честном классе А

С применением LM324 ожидались проблемы в виде переключательных искажений в районе смены полярности тока на выходе ОУ. Решено было пресечь всяческие поползновения подобного рода на корню: поставить нагрузочные источники тока по выходу каждого операционного усилителя, выведя тем самым выходные каскады оных в честный класс "А".

Источники тока для загрузки выходов ОУ
  • R9 = 6.2 кОм
  • VT2-VT4 = КТ503

VT2-VT4 можно взять любые маломощные npn, желательно из одной партии, или просто подобрать так, чтобы токи коллекторов были приблизительно одинаковыми. В данном применении нам не важны ни температурная стабильность Источников Тока, ни точность абсолютного значения токов, ни даже линейность или высокое динамическое сопротивление - операционный усилитель подкорректирует все перекосы. Существенное преимущество данной схемы ИТ заключается в очень низком минимальном рабочем напряжении на выходе: практически равном напряжению насыщения транзистора при данном токе.

 

Батарейное питание

Для того, чтобы избежать всевозможных наводок на входе тестируемого устройства, очень хотелось запитать генератор от батареек. Удобнее всего работать с 4 щелочными элементами - и доступно, и 6Вольт - уже вполне высокое напряжение, чтобы подходящий операционный усилитель мог ни в чём себе не отказывать 🙂
LM324 успешно работает уже от +-1.5В и документация заявляет возможность работы и по входам и по выходу на уровне отрицательного источника. Правда, 50мкА току при напряжении на выходе вблизи V- явно маловато. Но при использовании ИТ "подпорок", описанных выше, получаем уже 1мА при напряжении на выходе (V-)+(0.3В) и более - вполне достаточно для нагрузки в 10 кОм.

Даже при батарейном питании 6 Вольт и размахе напряжения на выходе всего 2 Вольта от минимума до максимума - желательно оставить примерно одинаковый запас по напряжению в обе стороны (полярности) относительно земли. К уровню V- выходы ОУ, благодаря внешним ИТ, могут приближаться достаточно близко, но вот до положительной "рельсы" V+ вольта полтора не дотягивают. Простенький делитель на схеме ниже устанавливает уровень виртуальной земли примерно в центре рабочей зоны по напряжению для ОУ, причём при любом допустимом напряжении питания.
Красный светодиод выполняет двойную функцию: задаёт 1.7 Вольта дополнительного напряжения между виртуальной землёй и V+, а так же - он ещё и светится!

Формирование виртуальной земли со сдвигом
  • VD2 = красный светодиод 1.7 Вольта
  • R10, R11 = 2 кОм
  • C10, C11 = 0.1 мкФ (керамика или плёнка)
  • C12, C13 >= 10 мкФ

 

Тестируем, тестируем...

Отлаживал я этот генератор за несколько заходов, да и давно это было, так что уже не справлюсь описать все шаги, доведшие меня до такой жизни 🙂
Для того, чтобы убедиться в полезности нагрузки ОУ источником тока - приведу осциллограмму выходного сигнала этого генератора с отключёнными источниками тока (закоротил временно базы и эмиттеры транзисторов).

LM324 без токовой "подпорки" => переключательные искажения

Самая большая беда на данной картинке - так горячо "любимые" строителями усилителей в классе АБ переходные искажения.
Ограничение сигнала снизу, конечно, тоже неприятно, но от него легко избавиться просто подав более высокое напряжение питания на схему. Так что настоятельно рекомендую не полениться и поставить источники тока, подгружающие ОУ по выходам.

Результат

Ранее что-то не задалось у меня с измерениями искажений. Много позже, когда пообзавёлся HiRes ЦАП-АЦП, перемерил. Получилось не то, чтобы плохо, но как источник для измерения Кг в аудио данная схема явно не тянет. Синус схемка выдаёт, конечно, красивый.

Мост Вина + LM324 + CCS: сигнал на выходе

Результаты обмеров:
THD 1.5%,

2-я гармоника -36дБ, 3-я -64дБ, 4-я -89дБ.

На одной макетке ужились два генератора - синусоидального и пилообразного сигналов:

TLС555CP + LM324 = два генератора

 

На самостоятельную проработку 😉

Вместо фиксированных C1C2 и R1R2 вполне возможно поставить переключаемую линейку конденсаторов, а так же сдвоенные потенциометры - и получится широкодиапазонный генератор синусоидальных сигналов с низким коэффициентом гармоник.

Настоятельно рекомендую использовать защиту по питанию: подробное описание в статье о том, как использовать МОП транзистор для защиты от переполюсовки питания.

 

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:

myelectrons.ru

Генератор с мостом Вина - Howling Pixel

Генера́тор с мосто́м Ви́на — разновидность электронных генераторов синусоидальных колебаний.

Частотно-задающая часть этого генератора выполнена на ёмкостно-резистивном полосовом фильтре, впервые предложенном Максом Вином в 1891 г. для измерения импедансов электрических цепей и теперь называемом мостом Вина.

Генератор представляет собой электронный усилитель, охваченный частотнозависимой положительной обратной связью через мост Вина. При изменении параметров моста Вина генератор может генерировать напряжение в широком перестраиваемом диапазоне частот и генерирует синусоидальное напряжение с малыми отличиями от идеального синусоидального сигнала.

История

Схемная электронная реализация генератора впервые изложена в диссертации Уильяма Хьюлетта на соискание степени магистра, защищённой им в 1939 г. в Стэнфордском университете.

Впоследствии Хьюлетт совместно с Дэвидом Паккардом основали фирму Хьюлетт-Паккард. Первым промышленным продуктом этой фирмы был прецизионный синусоидальный генератор HP200A с мостом Вина. Генератор HP200A был одним из первых серийно выпускаемых лабораторных генераторов синусоидального напряжения со столь низкими искажениями синусоиды.

Принцип работы

Электрическую цепь, состоящую из соединённых по рисунку R1,R2,C1,C2{\displaystyle R_{1},R_{2},C_{1},C_{2}}, обычно называют мостом Вина.

Если величины сопротивлений R1{\displaystyle R_{1}} и R2{\displaystyle R_{2}}, а также ёмкости C1{\displaystyle C_{1}} и C2{\displaystyle C_{2}} не слишком сильно разнятся, то такая цепь имеет сглаженный квазирезонанс, то есть коэффициент передачи напряжения от правого по схеме вывода R1{\displaystyle R_{1}} (входной сигнал) в точку соединения C1,C2,R2{\displaystyle C_{1},C_{2},R_{2}} (выходной сигнал) имеет максимум на некоторой частоте.

Наиболее простая формула для квазирезонансной частоты имеет место при равенствах:

R1=R2=R{\displaystyle R_{1}=R_{2}=R} и C1=C2=C,{\displaystyle C_{1}=C_{2}=C,}

при этом частота квазирезонанса равна:

f=12πRC.{\displaystyle f={\frac {1}{2\pi RC}}.}

На частоте квазирезонанса фазовый сдвиг выходного сигнала моста Вина относительно входного сигнала равен нулю, а модуль коэффициента передачи равен 1/3. Если включить в петле обратной связи, охватывающей вход и выход моста Вина, активный неинвертирующий усилительный элемент, в идеале не имеющий фазового сдвига, с коэффициентом передачи более 3, то в контуре возникнут нарастающие до бесконечности по амплитуде автоколебания, так как в этом контуре не выполняется критерий устойчивости для линейных систем.

Практически, в реальных генераторах амплитуда синусоидальных колебаний не нарастает до бесконечности, а устанавливается на некотором уровне, обусловленном нелинейными свойствами активного усилительного элемента, например, естественным ограничением питающего усилитель напряжения питания. При нелинейном ограничении амплитуды, форма изначально возникшего синусоидального напряжения при нарастании искажается, и, в конце концов, становится далёкой от синусоидальной, например, близкой к трапециедальной.

При коэффициенте передачи в контуре обратной связи менее 3 случайно возникшие колебания затухают, так как в этом случае система устойчива.

Таким образом, для поддержания синусоидальных колебаний с малыми отклонениями от синусоиды в этом генераторе необходимо, после установления колебаний с желаемой амплитудой, строго поддерживать коэффициент передачи по напряжению активного усилительного элемента точно равным 3.

В приведенной схеме примером в качестве активного усилительного элемента показан операционный усилитель (ОУ), включенный для генерируемого сигнала по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент передачи по напряжению KU{\displaystyle K_{U}} неивертирующего усилителя на ОУ:

KU=1+R3/R4.{\displaystyle K_{U}=1+R_{3}/R_{4}.}

Таким образом, устойчивая генерация синусоидального сигнала с малыми искажениями и без колебаний амплитуды обеспечивается при:

R3=2R4,{\displaystyle R_{3}=2R_{4},}

частота генерируемого напряжения тогда будет равной квазирезонансной частоте моста Вина.

Приведенные соотношения справедливы для идеальных пассивных компонентов — резисторов и конденсаторов и идеальных активных усилительных элементов. Практически, основные отклонения от идеальности вносит усилитель, в основном из-за внутреннего фазового сдвига выходного сигнала относительно входного, нарастающего с ростом частоты. Поэтому на некоторой высокой частоте, «набегание» фазового сдвига превратит положительную обратную связь в отрицательную. Поэтому диапазон частот генерируемых колебаний ограничен сверху, практически, несколькими МГц.

Стабилизация амплитуды и формы сигнала

Поддержание указанного соотношения сопротивлений резисторов R3{\displaystyle R_{3}} и R4{\displaystyle R_{4}} в практических схемах таких генераторов осуществляется введением зависимости сопротивления этих резисторов от амплитуды напряжения на них, то есть применением нелинейных резисторов.

В качестве нелинейных резисторов применяют термисторы с отрицательным коэффициентом термического сопротивления (ТКС) или металлические термосопротивления с положительным ТКС.

Сущность стабилизации соотношения сопротивлений состоит в снижении сопротивления R3{\displaystyle R_{3}} при увеличении амплитуды генерируемого напряжения, либо увеличении сопротивления R4{\displaystyle R_{4}} при увеличении амплитуды, либо, соответственно, наоборот, при увеличении амплитуды.

Так как мощность, выделяемая в резисторе, пропорциональна квадрату действующего напряжения на нём, а установившаяся температура резистора пропорциональна мощности, для стабилизации амплитуды применяют R3{\displaystyle R_{3}} с отрицательным ТКС, — полупроводниковые термисторы, или R4{\displaystyle R_{4}} с положительным ТКС — например, лампы накаливания с вольфрамовым телом излучения.

Для проявления нелинейных свойств термозависимых резисторов с целью стабилизации амплитуды и формы генерируемого напряжения важно, чтобы установившаяся температура в них, вызванная прогревом протекающего через них тока, существенно превышала температуру окружающей среды. Также важно, для обеспечения малых искажений, чтобы собственная тепловая постоянная времени применённых термозависимых сопротивлений многократно превышала период генерируемого колебания. Дополнительное требование — работа активного усилительного элемента в пределах линейности его передаточной характеристики.

Помимо описанных популярных терморезистивных нелинейных обратных отрицательных связей в таких генераторах часто используются параметрические отрицательные обратные связи через двухполюсники с нелинейной вольт-амперной характеристикой, например, стабилитроны, или следящие системы авторегулирования амплитуды, где в качестве управляемых напряжением сопротивлений в контуре с обратной связью применяют полевые транзисторы и фоторезисторы оптопар.

Применение

Традиционное применение таких генераторов — в качестве стандартных измерительных генераторов сигналов. Также в различных электронных устройствах, где не требуется высокая стабильность частоты при малых искажениях синусоидального сигнала.

См. также

Ссылки

RC-генератор

Линейные электронные осцилляторные схемы, которые генерируют синусоидальный выходной сигнал, состоят из усилителя и частотно-избирательного элемента — фильтра. Схемы генераторов, которые используют RC-цепи, комбинацию резисторов и конденсаторов в их частотно-избирательных частях, называются RC-генераторами.

RC-генераторы относятся к классу автоколебательных систем релаксационного типа.

Генератор

Генера́тор (лат. generator «производитель») — устройство, производящее какие-либо продукты, вырабатывающее электроэнергию или преобразующее один вид энергии в другой.

Генератор (фототехника)

Газогенератор:

Газогенератор

Газогенератор газотурбинного двигателя

Парогенератор

Квантовый генератор

Генератор волн маятников

PSA-генератор кислорода

Центральный генератор упорядоченной активности

Генератор сигналов

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например, усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).

На других языках

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.

howlingpixel.com

устройство, принцип работы, особенности фазосдвигающих цепей, расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.


⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 8Следующая ⇒

 

Последовательно-параллельная фазосдвигающая цепь представлена на рис.1.

Рис.1. Последовательно-параллельная фазосдвигающая цепь

 

При использовании усилителя с последовательной отрицательной обратной связью его фазовый сдвиг равен , таким образом, и фазосдвигающая цепь на частоте генерации должна давать фазовый сдвиг, равный , это и есть последовательно-параллельная цепочка. Найдём передаточную функцию этой цепи. В окончательном виде она имеет вид:

,

где , , . Переходя к комплексному коэффициенту передачи, можно получить:

.

Из последнего выражения видно, что нулевой фазовый сдвиг этой цепи будет равен на частоте , при которой действительная часть знаменателя равна нулю:

, .

Подставляя найденное значение в , можно получить модуль комплексного коэффициента передачи:

.

Для простоты расчётов и реализации обычно имеют , . При таком условии коэффициент передачи на частоте равен

.

Таким образом, для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент усиления неинвертирующего усилителя был равен 3. Схема генератора с такой фазосдвигающей цепью представлена на рис.2.

Рис.2. Генератор с последовательно-параллельной R, С-цепью

 

Важным отличием рассмотренной схемы является возможность перестройки частоты двумя элементами, как правило, сдвоенным потенциометром R. Условия баланса фаз и амплитуд при этом не изменяются. Этими причинами обусловлено широкое распространение последовательно-параллельной фазосдвигающей цепи при построении генераторов синусоидальных колебаний. Иногда генераторы с этой цепью называются генераторами на основе моста Вина.

Рис.3. Мост Вина

 

Мост Вина (см. рис.3а) используется для измерения частоты. Он состоит из двух ветвей: реактивной (последовательно-параллельной R, С-цепочки) и пассивной (2r-r). На диагональ питания подаётся входное напряжение . В измерительной диагонали, при выбранном соотношении резисторов пассивной ветви, будет нулевое напряжение только в том случае, если частота входного напряжения соответствует значению , где . Действительно, находя напряжение в измерительной диагонали , имеем .

На частоте . На рис.3б видно, что мост Вина в генераторе запитывается выходным напряжением, а на частоте генерации за счёт значительного коэффициента усиления операционного усилителя напряжение . Таким образом, можно считать рассмотренный генератор генератором на основе моста Вина.

 

Структурная схема информационного преобразователя переменного напряжения: состав и назначение элементов, описание их работы, область применения.

 

В практике промышленной электроники значительная часть датчиков работает от . Как правило, это ёмкостные датчики, резистивные и электромагнитные.

При воздействии измеряемой величины в них изменяется либо сопротивление, либо ёмкость, либо индуктивность, либо коэффициент взаимной индуктивности. Для отмеченных датчиков можно составить обобщённую схему информационного преобразователя.

 

 

В схеме приняты следующие обозначения:

Пр. – преобразователь напряжение-ток;

ФУН – формирователь управляющего напряжения, предназначен для синхронизации сигналов управления ФЧВ с напряжением питания датчика;

Г – предназначен для питания датчика переменным синусоидальным напряжением;

Ус – предварительный усилитель, предназначенный для приведения сигнала к нужному уровню;

ФЧВ – фазочувствительный выпрямитель.

 

Резистивные датчики: назначение, область применения. Мостовая измерительная схема для резистивных датчиков, вывод расчётных соотношений выходного напряжения от изменения электрического сопротивления резистивного датчика.

 

Датчики физических величин на основе резистивных чувствительных элементов, резистивные датчики, являются, пожалуй, наиболее распространёнными. В данных датчиках измеряемая физическая величина преобразуется в изменение электрического сопротивления. Задача измерительной цепи заключается в преобразовании значения электрического сопротивления в электрический сигнал – напряжение или ток.

В связи с разнообразием резистивных датчиков и различными областями их применения различаются и измерительные схемы для них. В случаях, когда измеряемая физическая величина приводит к небольшому изменению электрического сопротивления, используются, так называемые, мостовые схемы.

На рис. 1 изображена мостовая схема для резистивного датчика.

Рис.1. Мостовая схема для резистивного датчика

 

В данной схеме физическая величина f воздействует на резистивный элемент , изменяя его сопротивление таким образом, что бы , где пропорционально воздействию физической величины , а – относительное изменения сопротивления R. В данной схеме различают питающую диагональ – точки с, d и измерительную диагональ – точки а, b. Сопротивления , , , – плечи моста: , и , – смежные плечи моста, , и , – противоположные плечи моста. Выходным напряжением схемы является разность напряжения в измерительной диагонали . В общем виде при условии холостого хода в измерительной диагонали можно найти:

; ,

соответственно, будет равно:

.

Обычно мостовая схема строится исходя из следующих соотношений:

, .

Тогда,

или .

Из последнего выражения видно, что выходное напряжение зависит от относительного изменения сопротивления резистивного элемента , однако, это изменение нелинейно, в знаменателе присутствует слагаемое с . Кроме того, нелинейность проявляется тем меньше, чем больше отношение , называемое отношением моста, но при этом уменьшается чувствительность. Обычно для обеспечения приемлемых требований по чувствительности и нелинейности используют отношение моста равным 1, т. е. . При этом выходное напряжение имеет вид: .

Нелинейность мостовой схемы можно оценить следующим образом. Поскольку относительное изменение под действием преобразуемой физической величины много меньше единицы, то с точностью до величины второго порядка малости выражение для выходного напряжения можно записать в следующем виде: .

Второе слагаемое в круглых скобках как раз и характеризует нелинейность. Например, если изменение , то нелинейность преобразования будет равна , а выходной сигнал, например, при питании схемы десятью вольтами, , будет равен: .

Зачастую такого напряжения оказывается недостаточно для дальнейшего преобразования физической величины. Увеличивать чувствительность за счёт увеличения напряжения питания , как правило, не удаётся, поскольку при этом в резистивном чувствительном элементе увеличивается рассеиваемая электрическая мощность, что может привести к нарушению его метрологических и эксплуатационных характеристик.

Кроме невысокой чувствительности и нелинейности преобразования в мостовых схемах имеется ещё один недостаток – это конечное выходное сопротивление. Для схемы, представленной на рис. 1. равно

или с учётом отношения моста, равного 1,

.

Для устранения перечисленных недостатков используются мостовые схемы с использованием операционных усилителей – активные мостовые схемы.

 

27. Двухпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

 

Для линейного преобразования сопротивления резистивного чувствительного элемента в напряжения вполне достаточно иметь источник тока. Запитав известным током неизвестный резистор получаем падение напряжения пропорциональное значению резистора , см. рис.1. Единственным недостатком схемы являются ненулевые входные сопротивления, однако этот недостаток компенсируется, например, применением повторителя напряжений. Однако в ряде практических применений резистивный датчик , как правило термопреобразователь сопротивления находится на значительном удалении от преобразующей части. При этом на результат преобразования начинают влиять сопротивления проводов линии связи , , см. рис.2. Зажимы 1,2 - это зажимы измерительного преобразователя.

Рис.1. Измерительная схема преобразования RX в напряжение с использованием источника тока

Рис.2. Измерительная схема преобразования RX в напряжение с учетом сопротивления подводящих проводов r1, r2

 

В результате выходное напряжение равно

Относительная погрешность данного преобразования выглядит следующим образом .

Так, например, для медного провода сечением 0,5 мм2 и длиной 10 метров сопротивление = =0,35 Ом ≈1,5%. Как правило такое значение погрешности является недопустимым. Для уменьшения влияния сопротивления линии связи на результат преобразования используют дополнительные провода, исходя из того факта, что сопротивления проводов одинаковые.

28. Трехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

 

Для обеспечения приемлемых параметров по точности в промышленных измерениях, как правило, используется трехпроводная линия связи.

Рис.1. Вариант использования трехпроводной линии связи

 

Напряжения и имеют вид :

,

Поскольку ток по среднему проводу линии связи не протекает (зажим 2 на холостом ходу) то соответственно на нем нет и падения напряжения. Далее, из полученных выражений для и путем суммирования (сложения/вычитания с коэффициентом), можно находить напряжение, не зависящее от сопротивления . Функциональные схемы возможных вариантов измерительных схем представлены на риc.2.

Рис.2. Функциональные схемы измерительных схем преобразователя сопротивления в напряжение с использованием трех проводной линии связи

 

Для изображенных схем – преобразуемое сопротивление; – сопротивление одного провода линии связи; ИТ – источник тока ; Ус1, Ус2 – усилители с коэффициентом усиления ; Сум – сумматор суммирующий сигналы с Ус1,Ус2. Для трехпроводной линии связи используется трехзажимный датчик, в котором зажимы a и c токовые, а зажим b – потенциальный. По проводу, подключенному к этому зажиму, ток не должен протекать.

 

29. Четырехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

 

Для точных преобразователей сопротивления резистивного датчика, удаленного от измерительного преобразователя может оказаться, что трехпроводой линии связи недостаточно. Дело в том, что сопротивления линии связи имеют разброс. В этих случаях используют четырехпроводную линию связи, имеющую два токовых зажима - a, b (рис. 1) и два потенциальных – c, d.

Рис.1. Четырехпроводная линия связи

 

Тогда, согласно схеме, напряжения и будут равны:

и

Выходное напряжение в данной измерительной схеме ищется в виде разности напряжений:

,

откуда видно, что при использовании четырехпроводной линии связи не только сопротивление линии, но и их разброс не влияет на результат преобразования. Однако следует помнить, что на зажимах 2,3 необходимо обеспечить холостой ход. Как правило, для таких схем используют измерительный усилитель.

 

Мостовые измерительные схемы для резистивных датчиков с использованием одного операционного усилителя: назначение, применение. Вывод расчётных соотношений с учетом влияния места установки датчика в плечах моста.

 

Схема самой простой по числу используемых элементов активной мостовой схемы представлена на рис. 1.

Рис.1. Активная мостовая схема с нулевым выходным сопротивлением

 

Считаем, как и прежде, что отношение моста равно 1 и под действием физической величины резистивный чувствительный элемент имеет вид . На рис.1 цифрами обозначены позиции, где в схеме располагается резистивный чувствительный элемент. Пусть, например, он расположен на позиции 3. Тогда схема, выглядит так, как это показано на рис.1б. Выходное напряжение можно записать в следующем виде:

.

Проводя аналогичные вычисления выходного напряжения в зависимости от позиции чувствительного элемента, можно получить:

;

;

;

.

Данные схемы с различным расположением чувствительного элемента обладают, по сравнению с мостовыми, нулевым выходным сопротивлением и выходным сигналом, изменяющимся относительно нулевого уровня, отсутствием синфазной составляющей. Располагая чувствительный элемент в обратной связи операционного усилителя (позиция 4), можно получить преобразование без нелинейности. Однако это не всегда удаётся, поскольку часто один из зажимов чувствительного элемента в силу конструктивных особенностей оказывается гальванически соединённым с нулевой точкой, т.е. чувствительный элемент установлен на позиции 3. По сравнению с мостовой схемой, кроме отмеченных достоинств, в два раза повышена чувствительность.

Общим недостатком рассмотренных схем является недостаточная чувствительность. Для обеспечения повышенной чувствительности широкое распространение получили схемы с добавлением, по сравнению с рассмотренными, двух идентичных резисторов .

Мостовая схема на основе одного ОУ и повышенной чувствительности схема представлена на рис. 2.

Рис.2. Активная мостовая схема на основе одного ОУ с повышенной чувствительностью

 

Здесь, как и прежде, цифрами указаны позиции, на которые устанавливается чувствительный элемент. Найдём выходное напряжение схемы при условии, что чувствительный элемент установлен на позицию 1.

.

Проводя вычисления, можно получить:

.

Обеспечив значительную чувствительность, выполним неравенство , с учётом чего можно записать:

; ;

; .

Из полученных выражений видно, что чувствительность рассмотренной измерительной схемы в раз выше, чем предыдущей. В остальном, данная схема не отличается от предыдущей. Однако, всем этим схемам свойственна нелинейность.

 

Мостовые измерительные схемы для резистивных датчиков с использованием двух операционных усилителей: назначение, применение. Вывод расчётных соотношений с учетом влияния места установки датчика в плечах моста.

 

Использование двух ОУ позволяет уменьшить уровень синфазной составляющей на входе ОУ и в ряде случаев устранить нелинейность. На рис.1 представлена схема с применением двух ОУ. ОУ1 работает как усилитель с параллельной ООС, при этом потенциал точки . В результате потенциал тоже близок к 0. Усилитель ОУ2 с последовательной обратной связью работает при низких уровнях синфазной составляющей с коэффициентом усиления .

Рис.1. Активная мостовая схема на основе двух операционных усилителей, с выходным усилителем с последовательной обратной связью

 

Выражения для выходных напряжений в зависимости от положения чувствительного элемента можно найти в следующем виде:

;

;

;

.

Из приведённых соотношений видно, что при установке чувствительного элемента во второе положение измерительная схема не содержит нелинейности.

На выходе можно использовать и усилитель с параллельной ОС так, как это показано на рис.2.

 

Рис.2. Активная мостовая схема на основе двух операционных усилителей с выходным усилителем с параллельной обратной связью

 

В данной схеме потенциалы и , т. е. отсутствует синфазная составляющая на входах ОУ1, ОУ2. Находя выходное напряжение схемы в зависимости от позиции чувствительного элемента, можно получить следующие выражения:

;

;

;

.

Из полученных выражений видно, что в данной схеме линейная характеристика преобразования, также как и в предыдущей, получается в случае, если чувствительный элемент установлен во второй позиции.

Общим недостатком рассмотренных схем с использованием двух ОУ является то обстоятельство, что в случае их линейности чувствительный элемент установлен в цепи ООС ОУ1. Это не всегда удобно. Дело в том, что к инвертирующему входу и выходу ОУ подключаются паразитные ёмкости линии связи. При этом высока вероятность того, что ОУ1 может возбудиться, т. е. могут возникнуть высокочастотные колебания, ОУ1 становится неустойчивым. Желательно выстраивать измерительную схему таким образом, чтобы ЧЭ не устанавливался в цепи обратной связи усилителя.

 

32. Функциональные схемы измерительного преобразователя для индуктивного и емкостного датчиков: назначение элементов, описание их работы, вывод уравнения преобразования.

 

Функциональная схема для индуктивного датчика представлена на
рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема измерительного преобразователя для индуктивного датчика

 

Рис. 2. Круговая диаграмма токов и напряжений индуктивного датчика

 

ИД – индуктивный датчик, в котором под действием физической величины, происходит изменение индуктивности ΔL;

ГСК – генератор синусоидальных колебаний, предназначен для формирования напряжения требуемого для работы схемы;

Пр.НТ1 – преобразователь напряжение-ток, предназначен для питания индуктивного датчика синусоидальным током, синфазным с напряжением ГСК;

ФСУ – фазосдвигающее устройство, сдвигает фазу входного напряжения на 90;

ФУН – формирователь управляющего напряжения, необходимый для формирования напряжения типа «меандр», фронты которого совпадают с моментами времени перехода через ноль входного напряжения;

ФЧВ – фазочувствительный усилитель, предназначен для выделения напряжения синфазного с управляющим;

ФНЧ – фильтр нижних частот, предназначен для выделения среднего значения выходного напряжения ФЧВ;

ПрНТ2 – предназначен для формирования унифицированного выходного токового сигнала;

r – омическое сопротивление обмотки индуктивного датчика;

– индуктивность датчика без воздействия физической величины;

изменение индуктивности при воздействии физической величины.

 

Круговая диаграмма токов и напряжений в ИД представлена на рис.2. Напряжение , формируемое на ИД складывается из падения напряжения на индуктивном сопротивлении . Поскольку нас интересует составляющая , которая относительно тока питания сдвинута на 90, то необходимо сформировать опорное напряжение, сдвинутое на 90 относительно . Этой цели служит ФСУ. Таким образом, на выход ФЧВ не проходит синфазная с током составляющая напряжения, пропорциональная , а проходит составляющая, пропорциональная .

 

Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика (ЕД)

 

1. Ёмкостной датчик с изолированными электродами 2. Ёмкостной датчик с заземлённым электродом
3. Дифференциальный ёмкостной датчик с изолированными электродами 4. Дифференциальный ёмкостной датчик с заземлённым средним электродом

 

Рис. 3. Функциональная схема измерительного преобразователя для емкостного датчика с изолированными электродами

 

 

Рис. 4. Функциональная схема ИП для дифференциального емкостного датчика с изолированными электродами

 

Рис. 5. Функциональная схема ИП для емкостного дифференциального датчика с заземленным средним электродом

 

Эквивалентная схема емкостного датчика с изолированными электродами представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема емкостного датчика

 

Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика с заземлённым электродом.

Рис. 7. Функциональная схема измерительного преобразователя для ёмкостного датчика с заземлённым электродом

 


Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

RC-генераторы. Генератор с мостом Вина

Рассмотренные выше генераторы с колебательным контуром эффективны для получения высокочастотных колебаний. Для генерирования низких (звуковых) частот они неудобны из-за конструктивно-технологических недостатков. В связи с этим для получения гармонических колебаний в диапазоне от нескольких герц до нескольких сотен килогерц широко используются так называемые RC-генераторы. Остановимся на двух из возможных вариантов схемы RC-генераторов.

На практике часто используют RC-генератор в цепи положительной обратоной связи которого находится мост Вина. Схема моста Вина и его векторная диаграмма представлены на рис. 4.40.

Коэффициент передачи ненагруженного моста Вина согласно обозначениям рис. 4.40. равен

Где

,

(4.66)

а

(4.67)

С учетом формулы (4.76) выражение (4.66) принимает вид

(4.68)

Модуль коэффициента обратной связи формуле (4.68) равен

,

(4.69)

А сдвиг фаз между и

.

(4.70)

Графики b=b(F) и j=j(F) представлены на рис. 4.41. Известно, что усилительные каскады в зависимости от схемы включения усилительного элемента могут сдвигать фазу выходного напряжения относительно входного на p (схема с общим эмиттером) или не сдвигать ее (схема с общим коллектором). Значит, как следует из графика j=j(F) на рис. 4.41 Б, выполнение условия баланса фаз в генераторе с мостом Вина возможно на частоте, при которой j=0. Это означает, что генератор с мостом Вина должен содержать двухкаскадный усилитель с транзисторами, включенными по схеме с общим эмиттером.

Так как генерация в схеме с мостом Вина возможна для j=0, то, приравнивая числитель выражения (4.70) к нулю, получим

.

(4.71)

В реальных схемах чаще всего выполняются условия

С учетом формулы (4.72) выражение (4.71) принимает вид

или .

(4.73)

Условие баланса амплитуд предполагает, что при положительной обратной связи K³1/B (Dj=j1+j2=0), первоначально возникшая какая-либо флуктуация напряжения на входе усилителя, проходя через него и цепь обратной связи, вновь попадает на его вход с амплитудой, большей, чем первоначальная. Если бы усилитель имел линейную зависимость K=y(UВх), то амплитуда нарастала бы бесконечно, но, поскольку зависимость K=y(UВх) нелинейна, рост напряжения обратной связи ограничивается усилителем.

Выражение (4.69) для коэффициента b на частоте w0 имеет вид

.

(4.74)

Или с учетом соотношений (4.72)

Следовательно генерация в схеме с мостом Вина возможна при значениях K³3. Тогда для порога генерации получим

(4.76)

Поскольку в реальных схемах -генераторов могут иметь место различные процессы, приводящие к изменению коэффициента усиления K, например, изменение напряжения источника питания или ухудшение усилительных свойств транзистора и т. д., то для устойчивой работы автогенератора коэффициент K выбирают выше критического K>KКрит. Однако это условие приводит к перегрузке каскадов и искажению формы гармонического сигнала. Для устранения таких искажений в схему генератора вводят цепь местной отрицательной обратной связи, обеспечивающую возбуждение генератора и дальнейшую его работу с незначительным превышением KКрит. Используемая при выполнении данной работы принципиальная схема генератора с мостом Вина, собранная на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, и содержащая два каскада усиления,

приведена на рис. 4.42.

Для анализа возможности возникновения генерации в схемах с положительной обратной связью используют критерий Найквиста, устанавливающий условия устойчивости данной системы. Критерий устойчивости Найквиста можно сформулировать следующим образом: если амплитудно-фазовая характеристика разомкнутого тракта (рис. 4.43) с ОС охватывает точку с координатами (1, 0), то такая система является неустойчивой.

Анализ самовозбуждения рассмотренного выше RC-генератора с мостом Вина с помощью критерия Найквиста подтверждает полученные выше выражения: если K>KКрит=3, то генерация возможна, а при K<KКрит=3 генерация отсутствует. В случае K<KКрит=3 система представляет собой недовозбужденный генератор или регенерированный усилитель.

При подключении к автогенератору внешней гармонической эдс наблюдается явление захвата частоты. Это явление имеет место в по

лосе частот, ширина которой пропорциональна отношению амплитуды внешней эдс к амплитуде автоколебаний.

www.webpoliteh.ru

0 comments on “Мост вина принцип работы – Генератор с мостом Вина

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *