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

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.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

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, R1/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.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

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 f

0 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.

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:

мир электроники - RC-генератор

Электронные устройства 

 материалы в категории

Устройство RC-генератора, принцип работы

В статье LC генератор  мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле


То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.
Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы 
принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.
С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими.  Частота колебаний определяется по формуле:

 

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной "Н"!!). Вот так он выглядит:


Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:


При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:


Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,( но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:


Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.

Источник: naf-st.ru

Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ

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

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

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

Как происходит формирование синусоидальных колебаний?

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

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

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

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

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

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина

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


Схема генератора Вина на основе ОУ.

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

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

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

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

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

Улучшение параметров генератора Вина

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

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


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

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

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

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

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

Таким образом, коэффициент передачи цепи ООС будет определяться следующим выражением

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

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

Генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающими RC-цепями

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


Генераторы синусоидальных колебаний на фазосдвигающих цепочках.

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

Для схемы на рисунке А

Для схемы на рисунке Б

Для схемы на рисунке В

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


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

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

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

Генератор синусоидального сигнала 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

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

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.

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:

Мост - вино - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Мост - вино

Cтраница 4

Для равенства резонансной частоты кристалла кварца и квазирезонансной частоты моста Вина сопротивление R резистора моста Вина подбирают равным резонансному активному сопротивлению кварцевого резонатора. Цепь отрицательной обратной связи, включенная между выходом и инвертирующим входом ОУ, компенсирует изменения резонансного активного сопротивления кварца в зависимости от температуры и тем самым поддерживает постоянными амплитуду и частоту выходного сигнала.  [46]

На рис. 2 - 2 приведена принципиальная схема генератора RC, выполненного на базе моста Вина.  [48]

Перестаиваемые генераторы колебаний низких ( звуковых) частот строят либо по схеме С-генератора с мостом Вина, либо по методу биений.  [49]

Таким образом, условие баланса фаз соблюдается только для квазирезонансной частоты / 0, когда мост Вина не вносит фазовых искажений.  [50]

Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т - образного моста, сдвигающих С-цепей.  [51]

Фильтр выполнен на дифференциальном усилителе в интегральном исполнении 1УТ221В и представляет собой видоизмененный фазорасщепитель с мостом Вина.  [52]

При включении в цепь обратной связи моста Вина в автогенераторе возникнут уже синусоидальные колебания так как мост Вина обладает избирательными свойствами.  [53]

В качестве четырехполюсника, обеспечивающего при некоторой промежуточной частоте &0 нулевой фазовый сдвиг, часто применяется неполный мост Вина, схема которого приведена на рис. ЗЛО.  [55]

В двухкаскадном усилителе, рис. 7.9. Схема ЯС-автоге-применяемом в данном случае, коэффици - нератора с мостом Вина на ент усиления обычно значительно боль - операционном усилителе ше трех; следовательно, форма синусоидальных колебаний может быть сильно искажена. Во избежание этого вводят дополнительно отрицательную обратную связь, которая существенно повышает стабильность работы автогенератора. В случае увеличения амплитуды выходного напряжения автогенератора за счет изменений параметров транзисторов, напряжения питания или других причин ток через терморезистор Rs возрастает, а его сопротивление уменьшается. В результате возрастает падение напряжения на резисторе R3i и коэффициент усиления первого каскада снижается, что приводит к уменьшению амплитуды выходного напряжения автогенератора.  [56]

Для измерения емкости применяют мосты переменного тока УМ-3, Р50 - 1 и др. Индуктивность измеряют мостами Вина.  [57]

Регулировка частоты в двухкаскадном JRC-автогенера-торе осуществляется одновременным изменением либо сопротивлений резисторов R, либо емкостей конденсаторов С моста Вина.  [59]

Вина; 7.2 м, С2м - значения элементов сопротивления резистора и емкости конденсатора в параллельном плече моста Вина.  [60]

Страницы:      1    2    3    4    5

Что такое мостовой генератор Вина? Определение, конструкция и работа Wien Bridge Oscillator

Определение : Wien Bridge Oscillator - это генератор, который использует RC-цепочку для создания на выходе синусоидальной волны . В основном это низкочастотный осциллятор , который генерирует звуковые и вспомогательные звуковые частоты в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц .

Эта схема генератора использует мост Вина для обеспечения обратной связи с желаемым фазовым сдвигом.Он дает очень стабильную частоту колебаний и не сильно меняется в зависимости от подачи или температуры.

По сути, это двухкаскадный усилитель, состоящий из RC-мостовой схемы или, можно сказать, -мостовой схемы Вина . Схема обратной связи моста Вина используется для того, чтобы сделать генератор чувствительным к сигналу только определенной частоты.

На этой конкретной частоте мост Вина уравновешивается и обеспечивает фазовый сдвиг 0 °. Если обратная связь по мосту Вина не используется, это приведет к плохой стабильности частоты из-за прямой связи.Мостовая схема Вина, которую мы используем, представляет собой сеть с опережением-запаздыванием , поскольку при увеличении запаздывания фазового сдвига частоты и при уменьшении частоты она опережает.

1 МГц - максимальная выходная частота, обеспечиваемая этой схемой генератора. В мостовой схеме выходной сигнал будет синфазен со входом только тогда, когда мост находится в сбалансированном состоянии .

Конструкция осциллятора моста Вина

Теперь давайте посмотрим на принципиальную схему генератора моста Вина

Схема в основном состоит из двух транзисторов Q 1 и Q 2 и мостовой схемы Вина, в которой последовательная RC-цепь, состоящая из R 1 C 1 , соединена с параллельной RC-цепью, состоящей из R 2 С 2 .

В низкочастотном диапазоне реактивное сопротивление последовательно подключенного конденсатора C 1 очень велико, из-за чего он действует как разомкнутая цепь, что приводит к блокировке входного сигнала, в результате чего сигнал на выходе отсутствует.

Аналогично, на более высокой частоте реактивное сопротивление параллельного конденсатора C 2 становится очень низким, что ведет к короткому замыканию на выходе, что снова приводит к отсутствию сигнала на выходе.

Итак, необходимо выбрать точку частоты между двумя вышеупомянутыми условиями, которые мы обсуждали прямо сейчас, чтобы мы могли достичь максимального значения на выходе.

Что такое резонансная частота?

Частота , на которой генератор обеспечивает максимальный выходной сигнал , называется резонансной частотой . Давайте разберемся с резонансной частотой в правильном выражении -

Можно записать как,

или

Разделив действительные и мнимые члены, мы можем получить

Эта частота известна как резонансная частота генератора .На этой частоте реактивное сопротивление цепи становится равным ее сопротивлению, таким образом, результирующая разность фаз между входом и выходом будет 0⁰, и в этом состоянии величина выхода станет максимум . За исключением этой частоты мост будет в состоянии дисбаланса , т. Е. Обратное напряжение и выходное напряжение не будут поддерживать правильное соотношение фаз.

Здесь транзистор Q 1 ведет себя как генератор и усилитель, тогда как Q 2 ведет себя как инвертор, вызывающий сдвиг фазы на 180 °.

В схеме используются как положительной обратной связи , так и отрицательной обратной связи . Положительная обратная связь подается через R 1 , C 1 , R 2 , C 2 на транзистор Q 1 , а отрицательная обратная связь подается через делитель напряжения R 3 -R 4 на эмиттерная секция транзистора Q 1. Амплитуда на выходе стабилизируется резисторами R 3 и R 4 . Таким образом, два используемых транзистора вызывают полный фазовый сдвиг на 360 °, обеспечивая положительную обратную связь.Отрицательная обратная связь обеспечивает постоянный выходной сигнал во всем диапазоне частот.

Усилитель усиления по напряжению

Следовательно, для устойчивых колебаний коэффициент усиления по напряжению A должен быть равным или больше 3 .

Отрицательная обратная связь необходима, чтобы коэффициент усиления по напряжению равнялся 3, нетрудно, но получить коэффициент усиления всего 3 сложно.

Из-за ограничения усиления операционного усилителя без обратной связи мы не можем достичь выходной частоты выше 1 МГц без использования специальных высокочастотных операционных усилителей.

Теперь, взяв пример , мы можем лучше понять резонансную частоту.

Допустим, у нас есть резистор R = 20 кОм и конденсатор C = 1000 пФ

Итак, частота колебаний определяется по формуле:

Работа осциллятора моста Вина

Во-первых, обратитесь к приведенной выше принципиальной схеме. Колебания вызываются в цепи произвольным изменением тока базы транзистора Q 1 , которое может быть вызвано шумом или любыми другими изменениями в питании постоянного тока.Коллекторная цепь Q 1 усиливает изменение тока базы, но с фазовым сдвигом 180 °. Этот усиленный выходной сигнал затем подается на базу транзистора Q 2 через промежуточный конденсатор C 2 .

Теперь Q 2 снова усиливает сигнал, и на выходе транзистора Q 2 получается усиленный и дважды обращенный по фазе сигнал. Таким образом, выход будет синфазным с входным напряжением.

Часть выхода Q 2 снова подается на вход мостовой схемы.Часть сигнала с прямым смещением подается через R 2 , что дает положительную обратную связь или, можно сказать, регенеративный эффект, а часть, которая применяется к R 4 , дает отрицательную обратную связь или дегенеративный эффект.

Чтобы иметь устойчивых колебаний , эффект регенерации делается несколько больше, чем эффект дегенерации при номинальной частоте.

Два конденсатора C 1 и C 2 , которые мы использовали в мостовой схеме, представляют собой конденсаторы переменной емкости .Мы можем просто добиться постоянной частоты, изменяя C 1 и C 2 одновременно.

Форма выходного сигнала генератора моста Вина показана ниже -

Преимущества

  • Он обеспечивает колебательный диапазон переменной частоты, который может быть достигнут путем одновременного изменения емкостей C 1 и C 2 .
  • Поскольку схема состоит из двух транзисторов, общий коэффициент усиления системы высокий.
  • Помехи из-за внешних магнитных полей не возникают, поскольку индукторы отсутствуют в цепи.

Недостатки

  • Схема несколько сложна, поскольку требует двух транзисторов и различных других компонентов.
  • Из-за характеристик амплитуды и фазового сдвига максимальная выходная частота ограничена или ограничена.

Самым необходимым условием для получения полезного сигнала на выходе генератора является балансировка моста таким образом, чтобы коэффициент усиления по напряжению был равен 3 или больше.

Что такое Венский мост? - Объяснение и принципиальная схема

Использование моста Вина в цепях переменного тока для определения значения неизвестной частоты . Мост измеряет частоты от 100 Гц до 100 кГц. Точность мостов составляет от 0,1 до 0,5 процента. Мост используется для различных других приложений, таких как измерение емкости, анализатор гармонических искажений и генератор ВЧ частоты.

Мост Вина чувствителен к частоте.Таким образом, получить в нем точку баланса сложно. Входное напряжение питания не является чисто синусоидальным, и в них есть некоторые гармоники. Гармоники питающего напряжения нарушают балансное состояние моста. Чтобы решить эту проблему, в мосте используется фильтр. Фильтр подключается последовательно с детектором нуля.

Когда мост находится в уравновешенном состоянии, потенциал узлов B и C равны, то есть V 1 = V 2 и V 3 = V 4 Фаза и величина V 3 = I 1 R 3 и V 4 = I 2 R 4 равны, и они перекрывают друг друга.Ток I 1 , протекающий через плечо BD, и ток I 2 , протекающий через R 4 , также находятся в фазе вместе с I 1 R 3 и I 2 R 4 .

Общее падение напряжения на плече переменного тока равно сумме падения напряжения I 2 R 2 на сопротивлении R 2 и емкостного падения I 2 / wC 2 на емкости C 2 . Когда мост находится в сбалансированном состоянии, напряжения V 1 и V 2 равны по величине и фазе.

Фаза напряжения V 1 и падение напряжения I R R 1 на плечах R 1 также одинаковы. Сопротивление R 1 находится в той же фазе, что и напряжение V 1 . Сумма векторов V 1 и V 3 или V 2 и V 4 даст результирующее напряжение питания.

В состоянии баланса,

Об отождествлении действительной части,

О сравнении мнимой части,

Подставив значение ω = 2πf,

Ползунок сопротивления R 1 и R 2 механически соединяются между собой.Таким образом, получаем R 1 = R 2 .

Осциллятор Wien Bridge

Осциллятор с мостом Вайна

- один из наиболее распространенных типов осцилляторов, используемых в звуковых и суб-звуковых диапазонах частот (20–20 кГц). Генераторы этого типа просты по конструкции, компактны по размеру и отличаются исключительной стабильностью по частоте на выходе. Кроме того, его выходной сигнал относительно свободен от искажений, а его частоту можно легко изменять. Однако максимальная выходная частота типичного генератора моста Вина составляет всего около 1 МГц.Фактически, это также генератор с фазовым сдвигом. В нем используются два транзистора, каждый из которых дает фазовый сдвиг на 180 °, и, таким образом, общий фазовый сдвиг составляет 360 ° или 0 °.

Схема осциллятора на мосту Вайна

Принципиальная схема генератора моста Вина показана на рисунке ниже.

По сути, это двухкаскадный усилитель с мостовой схемой R-C. Мостовая схема R-C (мост Вина) представляет собой сеть с опережением-запаздыванием. Фазовый сдвиг в сети запаздывает с увеличением частоты и опережает с уменьшением частоты.При добавлении сети обратной связи по мосту Вина генератор становится чувствительным к сигналу только одной определенной частоты. Эта конкретная частота является той, на которой мост Вина сбалансирован и для которой фазовый сдвиг равен 0 °. Если цепь обратной связи по мосту Вина не используется, и выход транзистора Q 2 возвращается на транзистор Q 1 для обеспечения регенерации Требуемый для генерации колебаний транзистор Q 1 будет усиливать сигналы в широком диапазоне частот, и, таким образом, прямая связь приведет к плохой стабильности частоты.Таким образом, с помощью моста Вина повышается стабильность частоты сети.

В мостовой схеме R 1 последовательно с C 1, R 3 , R 4 и R 2 параллельно с C 2 образуют четыре плеча.

Эту мостовую схему можно использовать в качестве цепи обратной связи для генератора при условии, что сдвиг фазы через усилитель равен нулю. Это необходимое условие достигается за счет использования двухкаскадного усилителя, как показано на рисунке.В этой схеме выходной сигнал второго каскада подается обратно в сеть обратной связи, а напряжение через параллельную комбинацию C 2 R 2 подается на вход первого каскада. Транзистор Q 1 служит генератором и усилителем, тогда как транзистор Q 2 служит инвертором, чтобы вызвать сдвиг фазы на 180 °. В схеме используются положительные и отрицательные обратные связи. Положительная обратная связь проходит через R 1 C 1 R 2 , C 2 на транзистор Q 1 , а отрицательная обратная связь через делитель напряжения на вход транзистора Q 1 .Резисторы R 3 и R 4 служат для стабилизации амплитуды выходного сигнала.

Два транзистора Q 1 и Q 2 , таким образом, вызывают полный фазовый сдвиг на 360 ° и обеспечивают надлежащую положительную обратную связь. В цепи предусмотрена отрицательная обратная связь, чтобы гарантировать постоянный выходной сигнал в диапазоне частот. Это достигается за счет принятия резистора R 4 в виде термочувствительной лампы, сопротивление которой увеличивается с увеличением тока.Если амплитуда выходного сигнала имеет тенденцию к увеличению, больший ток обеспечит более отрицательную обратную связь. Таким образом, результат вернет свое первоначальное значение. Обратное действие будет иметь место в случае, если выходная мощность имеет тенденцию к падению.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя, A R 3 + R 4 / R 4 = R 3 / R 4 + 1 = 3

Так как R 3 = 2 R 4

Вышеуказанное соответствует затуханию цепи обратной связи 1/3.Таким образом, в этом случае коэффициент усиления по напряжению A должен быть равен или больше 3, чтобы поддерживать колебания.

Иметь коэффициент усиления по напряжению 3 нетрудно. С другой стороны, может быть сложно получить коэффициент усиления всего 3. По этой причине также важна отрицательная обратная связь.

Wien Bridge Oscillator - рабочий

Цепь приводится в колебание из-за любого случайного изменения тока базы транзистора Q 1 , которое может быть вызвано шумом, присущим транзистору, или изменением напряжения источника постоянного тока.Это изменение базового тока усиливается в цепи коллектора транзистора Q 1 , но с фазовым сдвигом 180 °. Выход транзистора Q 1 через конденсатор C 4 поступает на базу второго транзистора Q 2 . Теперь на коллекторе транзистора Q 2 появляется еще более усиленный и дважды обращенный по фазе сигнал. После двукратного инвертирования выходной сигнал будет синфазен входному сигналу на базу транзистора Q 1 . Часть выходного сигнала на транзисторе Q 2 возвращается во входные точки мостовой схемы (точка AC ).Часть этого сигнала обратной связи подается на эмиттерный резистор R 4 , где вызывает дегенеративный эффект (или отрицательную обратную связь). Точно так же часть сигнала обратной связи подается на резистор смещения базы R 2 , где он производит регенеративный эффект (или положительную обратную связь). На номинальной частоте эффект регенерации немного больше, чем эффект дегенерации, чтобы получить устойчивые колебания.

Непрерывное изменение частоты в этом генераторе может быть достигнуто путем одновременного изменения двух конденсаторов C 1 и C 2 .Эти конденсаторы представляют собой конденсаторы переменного типа. Мы можем изменить частотный диапазон генератора, включив в схему разные номиналы резисторов R 1 и R 2 .

Преимущества и недостатки мостовых осцилляторов Вина приведены ниже:

Преимущества
  1. Обеспечивает стабильный синусоидальный выходной сигнал с низким уровнем искажений в широком диапазоне частот.
  2. Диапазон частот можно выбрать просто с помощью декадных ящиков сопротивления.
  3. Частоту колебаний можно легко изменить путем одновременного изменения емкостей C 1 и C 2 . Общий коэффициент усиления высокий из-за двух транзисторов.

Недостатки
  1. Для схемы нужны два транзистора и большое количество других компонентов.
  2. Максимальная выходная частота ограничена из-за амплитуды и фазовых характеристик усилителя.
Осциллятор с мостом Вина

- обзор

Применения для строительного блока контрольно-измерительных приборов с переключаемыми конденсаторами (25)

В этом примечании по применению описывается широкий спектр полезных приложений для строительного блока с переключаемыми конденсаторами двойной точности LTC1043.Некоторые из описанных приложений включают сверхвысокопроизводительный инструментальный усилитель, синхронизирующий усилитель, широкодиапазонный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления с цифровым управлением, формирователь сигнала датчика относительной влажности, формирователь сигнала LVDT, преобразователи F / V и V / F накачки заряда, 12-битные A / D конвертер и многое другое.

Рекомендации по применению и схемы для нового операционного усилителя со стабилизированным прерывателем (26)

Обсуждение схем, компоновки и конструкции цепей постоянного тока низкого уровня включает анализ ошибок пайки, проводов и соединений разъемов.Области применения включают субмикровольтные измерительные приборы и развязывающие усилители, стабилизированные буферы и компараторы, а также прецизионные преобразователи данных.

Проектирование линейных цепей для работы с напряжением 5 В (27)

В этом примечании рассматриваются вопросы проектирования прецизионных линейных цепей, которые должны работать от одного источника питания 5 В. Приложения включают в себя различные формирователи сигналов преобразователей, инструментальные усилители, контроллеры и изолированные преобразователи данных.

Приложения для точного постоянного тока фильтра нижних частот с коммутируемым конденсатором (28)

Обсуждаются принципы работы LTC1062 и полезные советы по его применению. Подробно описаны различные прикладные схемы с акцентом на то, как каскадировать два LTC1062 и как получить выемки. Полностью показаны шумовые и искажающие характеристики.

Микросхемы для формирования сигналов (29)

Работа электронных устройств с низким энергопотреблением становится все более желательной.В этом примечании к применению описаны различные схемы малой мощности для преобразования сигнала преобразователя. Также включены конструкции для преобразователей данных и импульсных регуляторов. В трех добавленных разделах обсуждаются рекомендации по проектированию микромощностей, работе стробированного питания и влиянию испытательного оборудования на микросхемы.

Измерение с помощью термопары (30)

Обсуждаются аспекты измерения температуры с помощью термопар. Учебное пособие по датчикам температуры обобщает характеристики различных типов и дает представление о термопарах.Затем основное внимание уделяется термопарам. Включены разделы, посвященные компенсации холодного спая, выбору усилителя, методам дифференциала / изоляции, защите и линеаризации. Даны полные схемы всех схем. Также представлена ​​процессорная линеаризация с подробным описанием необходимого программного обеспечения.

Раскройте тайну фильтра на переключаемых конденсаторах: сборник фильтров разработчика системы (31)

В этой заметке представлены рекомендации для схем, использующих фильтры на переключаемых конденсаторах Linear.Обсуждение сосредоточено на том, как оптимизировать производительность фильтра путем оптимизации печатной монтажной платы, источника питания и выходной буферизации фильтра. Обсуждается множество дополнительных тем, например, как выбрать правильный отклик фильтра для приложения и как охарактеризовать THD фильтра для приложений DSP.

Мостовые схемы (32)

Эта записка с подзаголовком «Объединение усиления и баланса» описывает схемы формирования сигналов для различных типов мостов.Включены мосты преобразователей, мосты переменного тока, генераторы моста Вина, мосты Шоттки и другие. Особое внимание уделяется критериям выбора усилителя. Прилагаемые разделы охватывают тензометрические преобразователи, понимание измерений искажений и исторические перспективы мостовых механизмов считывания и мостовых осцилляторов Вейна.

Техника высокоскоростных усилителей (33)

Это примечание по применению с подзаголовком «Спутник разработчика широкополосных схем» предназначено в качестве справочного материала для проектирования с быстрыми усилителями.Примерно 150 страниц и 300 рисунков охватывают часто встречающиеся проблемы и их возможные причины. Схемы включают широкий спектр усилителей, фильтров, генераторов, преобразователей данных и формирователей сигналов. В одиннадцати добавленных разделах обсуждаются связанные темы, включая осциллографы, выбор пробника, измерения и оборудование, а также методы макетирования.

Компаратор с семью наносекундами для работы с одним источником питания (34)

В этой заметке подробно обсуждаются причины и способы устранения проблем в схемах очень высокоскоростных компараторов.В отдельном разделе приложений используются 7 нс LT1394 в преобразователях V-F, кварцевых генераторах, генераторах синхроимпульсов, триггерах, конфигурациях выборки и расширителе наносекундных импульсов. Приложения охватывают связанные темы.

Понимание и применение опорных напряжений (35)

Каким образом запрещенная зона и скрытые стабилитроны сочетаются с элементами Вестона? Знаете ли вы, что ваша печатная плата может вызывать больший дрейф эталона, чем время и температура? Изучите ответы на эти и другие часто задаваемые справочные вопросы, от рекомендаций по приработке до поколения ΔV BE , в этом руководстве по применению.

Приложения для измерительных приборов для монолитного генератора (36)

Приложения для измерительных приборов для монолитного программируемого генератора представлены в этой публикации. Схемы включают термометры на основе платины и термистора, изолированный термометр и три кондиционера сигнала относительной влажности. Подробно описаны усилители с биполярным входом и входным чоппером на полевых транзисторах с шумом ниже 45 нВ (от 0,1 Гц до 10 Гц). Появляются два настраиваемых генератора синусоидальной волны с настраиваемой амплитудой, а также настраиваемый режекторный фильтр, генератор интервалов и аналого-цифровой преобразователь.Производительность генератора контрастирует с другими подходами, и обсуждается его интервальная работа.

Проверка скорости нарастания напряжения для широкополосных усилителей (37)

Широкополосные усилители достигают скорости нарастания более 2500 В / мкс. Проверка скорости нарастания на этой скорости требует специальных методов. В частности, шаг ввода субнаносекундного времени нарастания необходим для точного измерения скорости нарастания напряжения. Показан генератор импульсов с временем нарастания 360 пикосекунд и подробно описана его конструкция.Представлены результаты испытаний скорости нарастания с использованием этого генератора и сравнение с данными, полученными с помощью генераторов с более медленным временем нарастания. Приложения охватывают методику высокоскоростных измерений, смещение уровня выходного сигнала генератора и соображения, касающиеся конструкции тракта пикосекундного сигнала.

Схема приборов с использованием преобразователей RMS → DC (38)

Широко признано, что измерение RMS сигналов дает наиболее точную информацию об амплитуде. Схемы выпрямления и усреднения, обычно калиброванные по синусоиде, точны только для одной формы волны.Отклонения от этой формы волны приводят к выраженным ошибкам. Несмотря на то, что преобразование RMS является точным, оно часто влечет за собой ограниченную полосу пропускания, ограниченный диапазон, сложность и трудность определения динамических и статических ошибок. Семейство преобразователей среднеквадратичных значений LTC1966 / 67/68 решает эти проблемы, делая практические приложения приборного класса. Представлены разнообразные приложения, ориентированные на измерительные приборы. В комплект входят базовые схемы, полностью изолированный линейный монитор переменного тока, стабилизатор линейного напряжения переменного тока без искажений, широкополосные предварительные усилители × 1000, измеритель среднеквадратичного значения тока на кварцевом кристалле, стабилизированный на кристалле источник опорного напряжения переменного тока, генератор случайных шумов со среднеквадратичной амплитудой и среднеквадратичный регулятор уровня амплитуды.Прилагаемые разделы охватывают теорию среднеквадратичных значений и работу преобразователя, измерения переменного тока и практику обработки сигналов, рекомендации по испытательному оборудованию, теорию шума и шумовые диоды.

Измерение шума 775 нановольт для малошумящего источника опорного напряжения (39)

Часто стабильность опорного напряжения и шум определяют пределы измерений в измерительных системах. В частности, эталонный шум часто устанавливает стабильные пределы разрешения. Эталонные напряжения снизились с продолжающимся падением напряжения питания системы, что сделало эталонный шум все более важным.Диапазон обработки сжатого сигнала требует соразмерного снижения опорного шума для сохранения разрешения. Шум в конечном итоге приводит к неопределенности квантования в аналого-цифровых преобразователях, вызывая дрожание в таких приложениях, как весы, инерциальные навигационные системы, инфракрасная термография, цифровые мультиметры и медицинские устройства визуализации. Новый опорный источник низкого напряжения LTC6655 имеет шум всего 0,3 ppm (775 нВ) при 2,5 В на выходе OUT . Определение этого числа представляет собой измерение высокого уровня сложности, требующее испытательного оборудования с очень низким уровнем шума.Представлены детали конструкции этого испытательного приспособления, а также тщательная оценка производительности. Прилагаемые разделы содержат вспомогательный материал.

Измерение частоты с помощью моста Вина

Измерение частоты с помощью моста Вина:

Некоторые мосты имеют уравнения баланса, которые напрямую включают частоту, даже если характеристики отдельных элементов моста не зависят от частоты. Мост Вина может использоваться для определения частоты в терминах значений различных элементов моста.

Мы опишем здесь измерение частоты мостом Вина , которое является наиболее важным для определения частоты.

Мост Wien в первую очередь известен как мост с определением частоты и описан здесь не только в связи с его использованием в качестве моста переменного тока для измерения частоты, но и с точки зрения его применения в различных других полезных схемах.

Например, мост Вина может использоваться в анализаторе гармонических искажений, где он используется как режекторный фильтр, распознающий одну конкретную частоту.

Мост Wien также находит применение в генераторах звука и ВЧ в качестве устройства для определения частоты. На рисунке ниже показан мост Wien в условиях баланса.

Обязательно к прочтению:

Схема моста Вина:

Схема моста Вина

Обязательно к прочтению:

В большинстве мостов Wien компоненты выбраны так, что

R1 = R2 = R и C1 = C2 = C

Тогда первое уравнение сводится к

R4 / R3 = 2

а второе уравнение сводится к

f = 1 / 2πRC

Переключатели резисторов R1 и R2 механически связаны таким образом, чтобы выполнялось условие R1 = R2.

Если конденсаторы C1 и C2 равны по величине и R4 = 2 R3; мост Вина может использоваться в качестве устройства определения частоты, сбалансированного одним регулятором. Этот регулятор может быть напрямую откалиброван с точки зрения частоты, как видно из приведенного выше уравнения.

Мост Вина подходит для измерения частот от 100 Гц до 100 кГц. Возможно получение точности 0.От 1 до 0,5 процента.

Из-за своей частотной чувствительности мост Вина может быть трудно сбалансировать, если только форма волны приложенного напряжения не синусоидальная. Мост Вина не сбалансирован для каких-либо гармоник, присутствующих в подаваемом напряжении, поэтому эти гармоники иногда создают выходное напряжение, обозначающее истинную точку баланса.

Эту трудность можно преодолеть, подключив фильтр последовательно с детектором нуля. Мост Вина может также использоваться для измерения емкости .

Обязательно прочитать:

Заключение:

В этом мы узнали, что Измерение частоты с помощью моста Вина . Вы можете скачать эту статью в формате pdf, ppt.

Комментарий ниже, если у вас есть какие-либо вопросы!

Мостовой синусоидальный осциллятор / генератор Вина »Электроника

Генератор или генератор синусоидального сигнала с мостом Вина на операционном усилителе представляет собой превосходную схему для генерации синусоидального сигнала на звуковых частотах и ​​выше.


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига


Одним из популярных методов генерации синусоидальной волны с помощью операционного усилителя является использование конфигурации моста Вина.Конструкция электронной схемы довольно проста и обеспечивает хорошие общие характеристики.

Как следует из названия, генератор или генератор моста Вина на операционном усилителе основан на сети моста Вина. Это разновидность мостовой схемы, разработанная Максом Вином в 1891 году, и она состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов.

Мостовой осциллятор Вина существует уже много лет и находит применение во многих областях в качестве звукового осциллятора, используя либо дискретные электронные компоненты, либо операционные усилители.

Поскольку операционные усилители - это такие простые в использовании электронные компоненты, обеспечивающие почти идеальную работу, они широко используются в подобных схемах.

Что такое Венский мост

Базовая схема моста Вина показана ниже и как это видно из нее.

Схема базового моста Вина

Базовая мостовая схема использовалась во многих приложениях, включая измерение номинала конденсаторов, где переменные резисторы и известный конденсатор могли использоваться для определения номинала конденсатора, обычно C1.

Сначала рассмотрим схему с качественной точки зрения. Это помогает объяснить фактическую работу схемы и дает представление о том, как она работает.

RC-цепь моста Вина

Из схемы видно, что схему можно разделить на две части: последовательный элемент моста Вина, т.е. последовательный резистор и конденсатор образуют фильтр верхних частот; и параллельный конденсаторный резисторный элемент, образующий фильтр нижних частот от линии до земли.

Другими словами, имеется последовательный фильтр верхних частот и параллельный фильтр нижних частот.Общий эффект состоит в том, что их комбинация формирует селективный полосовой фильтр второго порядка, который имеет довольно высокую добротность и резонансную частоту f 0 .

Если смотреть на сеть очень просто, на нулевой частоте последовательный фильтр нижних частот, состоящий из электронных компонентов R1 и C1, будет иметь бесконечный импеданс, потому что постоянный ток не может проходить через конденсатор.

Точно так же на очень высоких частотах в эффекте параллельной цепи преобладает практически нулевой импеданс конденсатора - он фактически замыкает выход.

Между этими частотами есть точка, где выходной сигнал достигает максимума - его «резонансная частота», F 0 .

На этой резонансной частоте реактивное сопротивление всей цепи равно ее сопротивлению, то есть: Xc = R, а разность фаз между входом и выходом равна нулю. Величина выходного напряжения при этом максимальном значении равна трети входного напряжения.

Также обнаружено, что фазовый сдвиг в сети изменяется с частотой, проходя через ось на резонансной частоте, f 0 .

Отклик с точки зрения напряжения и фазы RC-цепи моста Вина

Рассмотрение схемы с более математической точки зрения для проектирования электронных схем. Мост Вина особенно гибкий и не требует одинаковых значений электронных компонентов R или C. На некоторой частоте реактивное сопротивление плеча R2 – C2 будет точным кратным реактивному сопротивлению плеча R1 – C1. Если два рычага R3 и R4 отрегулированы в одинаковом соотношении, мост будет сбалансирован.

Для определения балансовой частоты можно использовать несколько простых уравнений.

ω0 = 1R1 R2 C1 C2

C1C2 = R4R3 -R2R1

Уравнения проектирования электронной схемы упрощаются, если R1 = R2 и C1 = C1; результат R4 = 2 R3.

На практике значения электронных компонентов R1 / R2 и C1 / C2 никогда не будут точно равными, но приведенные выше уравнения показывают, что для фиксированных значений в этих плечах мост будет балансировать при некотором ω и некотором отношении R4 / R3. .

Эти допущения и упрощения значительно упрощают проектирование электронной схемы.

Мостовой генератор Вина на ОУ

Для электронной схемы генератора синусоидальной волны мост может использоваться в контуре обратной связи, и схема колеблется в точке баланса, то есть в «резонансной точке» сети. Кроме того, очень высокие уровни входного импеданса и очень низкие уровни выходного импеданса операционного усилителя означают минимальную нагрузку на элементы моста, что упрощает конструкцию электронной схемы.

Генератор на мосту Вина можно рассматривать как усилитель с положительным усилением, совмещенный с полосовым фильтром, через который применяется положительная обратная связь.Поскольку используется положительная обратная связь, необходимо иметь возможность ограничить усиление, чтобы избежать чрезмерных уровней искажений. Это достигается несколькими способами за счет использования автоматической регулировки усиления, преднамеренной нелинейности и случайной нелинейности, ограничивающих выходную амплитуду, и их можно использовать в различных схемах по-разному.

Базовая схема генератора или генератора моста Вина показана ниже и содержит элементы мостовой схемы, обернутые вокруг самого операционного усилителя.Внутри схемы можно увидеть усилитель с положительным усилением и полосовой фильтр, обеспечивающий положительную обратную связь.

Схема осциллятора с мостом Вина

на операционном усилителе. Элементы моста, содержащие конденсаторы, связаны с неинвертирующим входом, а чисто резистивные элементы связаны с инвертирующим входом. Для колебания цепи анализ цепи показывает, что должен быть фазовый сдвиг на 180 °, и для этого требуется, чтобы C1 = C2 и R1 = R2. Дополнительно Rf обычно устанавливается равным 2 Rg.Частоту колебаний можно определить из простого уравнения:

Одной из проблем этой формы схемы генератора / генератора моста Вина является уровень создаваемых искажений. Если значение Rf увеличивается (увеличивается коэффициент усиления схемы), то обнаруживается, что уровень искажений также увеличивается по мере того, как операционный усилитель переходит в режим насыщения.

Один из простых способов преодоления этого, который использовался во многих случаях, - это заменить резистор Rg маленькой лампой накаливания или термистором.Отношение сопротивлений Rf установлено на уровне около 2Rg. Эта идея работает, потому что при первом включении генератора лампа холодная и сопротивление невелико. Ток, протекающий через него, больше, и лампа или термистор нагреваются, тем самым увеличивая сопротивление, что, в свою очередь, приводит к падению коэффициента усиления и падению тока. Через некоторое время достигается точка равновесия, и осциллятор саморегулирует усиление и, следовательно, уровень искажений.

Диодный ограничитель амплитуды для генератора с мостом Вина

Другой метод ограничения размаха амплитуды генератора и, следовательно, уменьшения искажений заключается в использовании пары встречных диодов в контуре обратной связи генератора.Диоды можно размещать поперек части сопротивления R f . По мере увеличения амплитуды сопротивление эффективно уменьшается, а амплитуда уменьшается.

Схема на ОУ на мостовом генераторе Вина с ограничивающими диодами

Эта схема способна обеспечить более низкий уровень искажений, чем схема, без какого-либо ограничения амплитуды.

Генератор моста Вина используется во многих приложениях для создания синусоидального сигнала. Хотя уровни искажений могут быть выше, чем у некоторых других форм звукового генератора, тем не менее, он обеспечивает очень удобную и надежную форму звукового синусоидального генератора.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Как работает мостовой осциллятор Вина?

Осциллятор моста Вены:

Мы уже обсуждали различные схемы генераторов на основе транзисторов в наших предыдущих постах.В этом коротком посте давайте обсудим, как работает осциллятор моста Вина? Прежде чем продолжить, давайте обновим информацию о различных осцилляторах

.

Типы цепей осциллятора - основы, условия, блок-схема
Как работает контур резервуара? - Принцип работы Tank Circuit

Работа цепи осциллятора моста Вина:

  • Мостовой осциллятор Вина - это наиболее часто используемый тип аудиогенератора, поскольку на его выход не влияют колебания цепи и температура окружающей среды.Это стандартный генератор всех частот в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц.
  • Принципиальная схема генератора на мосту Вина показана ниже. В основном это двухкаскадный усилитель с RC-мостовой схемой.
  • R1 C1, R3, R2C2 и LP устанавливают мостовую схему.
  • Сопротивление R3 и LP (вольфрамовая лампа) используются для стабилизации выходной амплитуды. Вольфрамовая лампа LP - устройство, чувствительное к температуре. Его сопротивление увеличивается с увеличением тока.
  • Транзистор T1 действует как генератор и усилитель.
  • Транзистор T2 действует как инвертор (т. Е. Производит сдвиг фазы на 180)
  • Генератор моста Wein использует как положительные, так и отрицательные обратные связи.
  • Положительная обратная связь проходит через R1C1, C2R2 на транзистор T1. Отрицательная обратная связь идет через делитель напряжения на вход транзистора Т2.
  • Частота генератора Вейнбриджа определяется последовательным элементом R1C1 и параллельным элементом R2C2 моста.
    Рассмотрим R1 = R2 = R и C1 = C2 = C
Работа цепи:

Когда схема запускается, мостовая схема создает колебания с частотой, соответствующей приведенному выше уравнению.Полный фазовый сдвиг на 360, создаваемый двумя транзисторами, что обеспечивает надлежащую положительную обратную связь. Вольфрамовая лампа (термочувствительный элемент) обеспечивает отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь обеспечивает постоянный выход.

Преимущества осциллятора Wien Bridge:
  1. Обеспечивает постоянную производительность.
  2. Схема работает довольно легко.
  3. Поскольку используются два транзистора, общий коэффициент усиления высокий.
  4. С помощью потенциометра можно легко изменять частоту колебаний.
Wien Bridge Oscillator Недостатки:
  1. Для этого генератора требуются два BJT и большое количество компонентов.
  2. Невозможно генерировать очень высокие частоты.

0 comments on “Мост вина принцип работы: RС-генераторы с мостом Вина: схема, принцип работы, формула

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *