Мост вина принцип работы – Генератор с мостом Вина

Генератор с мостом Вина

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

Описание и принцип работы

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

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

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

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

RC фазовая сеть смещения

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

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

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

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

Усиление на выходе генератора и сдвиг фазы

Можно видеть, что на очень низких частотах фазовый угол между входным и выходным сигналами является «положительным», в то время как на очень высоких частотах фазовый угол становится «отрицательным». В середине этих двух точек схема находится на своей резонансной частоте ƒr с двумя сигналами «в фазе» или 0 ^o. Поэтому мы можем определить эту точку резонансной частоты следующим выражением.

Частота генератора с мостом Вина

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

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

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

Сеть RC

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

Поэтому общее сопротивление постоянного тока в комбинации серии ( R ₁ C ₁ ) мы можем назвать, Z _S и полное сопротивление параллельной комбинации ( R ₂ C ₂ ) мы можем назвать, Z _Р . Поскольку Z _S и Z _P эффективно соединены вместе последовательно на входе V _IN , они образуют сеть делителя напряжения с выходом, взятым через Z _P, как показано.

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

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

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

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

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

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

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

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

Если теперь мы разместим эту RC — сеть через неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 + R1 / R2, то получится следующая базовая схема мостового генератора Вина.

Схема генератора с мостом Вина

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

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

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

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

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

Резюме генератора с мостом Вина

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

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

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

meanders.ru

Генератор с мостом Вина — Википедия

Генератор синусоидального напряжения модели Hewlett-Packard HP200A * В центре рисунка — четырёхсекционный конденсатор переменной ёмкости, которым перестраивается частота квазирезонанса моста Вина и, тем самым, частота генерируемого напряжения.

Генера́тор с мосто́м Ви́на — разновидность электронных генераторов синусоидальных колебаний.

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

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

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

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

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

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

Наиболее простая формула для квазирезонансной частоты имеет место при равенствах:

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

при этом частота квазирезонанса равна:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

частота генерируемого напряжения тогда будет равной квазирезонансной частоте моста Вина.

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

Стабилизация амплитуды и формы сигнала[править | править код]

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

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

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

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

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

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

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

ru.wikipedia.org

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

pue8.ru

Мост Вина — Википедия

Схема моста Вина

Мост Ви́на — пассивный четырёхполюсник на основе двух простейших RC-фильтров верхних и нижних частот, предложен Максом Вином в 1891 г. Применяется для построения автогенераторов, обладающих удовлетворительной стабильностью частоты и достаточно широким диапазоном генерируемых частот, иногда применяется в качестве фильтра.

Мост может быть использован для измерения ёмкости, а также является частотнозадающей цепью низкочастотных генераторов синусоидальных колебаний (некоторые RC-генераторы).

Мост состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов. Частота колебаний, при которой наблюдается баланс моста:

ω2=1RxR2CxC2{\displaystyle \omega ^{2}={1 \over R_{x}R_{2}C_{x}C_{2}}}

При этом выполняется соотношение ёмкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов:

CxC2=R4R3−R2Rx.{\displaystyle {C_{x} \over C_{2}}={R_{4} \over R_{3}}-{R_{2} \over R_{x}}\,.}

• Автогенератор на основе моста Вина
• Фильтр (электроника)
• Полосовой фильтр

Это заготовка статьи об электронике. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Для улучшения этой статьи желательно: Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение). Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное. Пожалуйста, после исправления проблемы исключите её из списка параметров. После устранения всех недостатков этот шаблон может быть удалён любым участником.

ru.wikipedia.org

Генератор синусоидального сигнала на мосту Вина

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

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

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

Мост Вина

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

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

Картинка позаимствована у Википедии

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

Как рассчитать частоту

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

f=1/2πRC

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

Zc=1/ωC=1/2πνC

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

Мост Вина и операционный усилитель

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

Коэффициент усиления на троечку

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

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

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

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

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

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

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

Стабилизация амплитуды на лампе накаливания

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

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

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

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

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

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

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

Стабилизация амплитуды на светодиодах

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

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

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

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

Качество генерации и применяемых элементов

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

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

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

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

Минусы светодиодов

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

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

Диоды 4148 вместо светодиодов

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

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

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

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

Замена переменного резистора постоянными

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

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

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

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

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

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

Как подобрать резисторы «на глаз»

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

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

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

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

Дополнительное усиление

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

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

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

K=1+R2/R1

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

Как умощнить выход

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru

Follow @AudioGeek_ru

audiogeek.ru

Мост вина принцип работы

Применяется для построения автогенераторов , обладающих удовлетворительной стабильностью частоты и достаточно широким диапазоном генерируемых частот , иногда применяется в качестве фильтра. Мост может быть использован для измерения ёмкости , а также является частотнозадающей цепью низкочастотных генераторов синусоидальных колебаний некоторые RC-генераторы. Мост состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов. Частота колебаний, при которой наблюдается баланс моста:.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Диодный мост. Принцип работы схемы.

Генераторы сигналов синусоидальной формы. Классификация принцип работы

В предыдущей главе рассматривались LС-автогенераторы. Они применяются на высоких частотах. Если же необходимо генерировать низкие частоты, применение LС-генераторов становится затруднительным. Всё очень просто. Поскольку формула для определения частоты генерирования колебаний выглядит вот так:.

А увеличение емкости и индуктивности напрямую влечёт увеличение габаритных размеров. Другими словами, размеры контура при этом будут гигантскими. А со стабилизацией частоты дело будет обстоять ещё хуже. Наиболее простым RC-генератором является так называемая схема с трехфазной фазирующей цепочкой, которая ещё называется схемой с реактивными элементами одного знака.

Она показана на рис. Эта цепь называется фазовращающей. 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. Для колебаний остальных частот условия самовозбуждения выполняться не будут и они, соответственно, быстро затухают. Частота колебаний определяется по формуле:.

Помимо рассмотренного генератора с использованием фазовращающей цепи имеется ещё интересный, кстати, наиболее употребительный, вариант. Посмотрим на рис. Так вот, эта самая конструкция представляет собой так называемый мост Вина-Робинсона , хотя наиболее часто встречается название просто мост Вина.

Ещё некоторые грамотеи пишут мост Вина с двумя «н». Левая часть энтой конструкции представляет собой пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение. Правая часть есть ни что иное, как частотно-независимый делитель. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:. Вообще же должно выполнятся условие:. Конечно, все как обычно рассматривается в идеальном или приближенном к идеальному случаях.

Ну а реально дело, как всегда, обстоит немного хуже. Для того, чтобы было совсем понятно, втулим в мост Вина усилительный каскад. Для простоты воткнем операционный усилитель ОУ. Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резика R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.

К примеру, нелинейный резик, управляемое сопротивление с помощью транзисторов, как полевых, так и биполярных, и прочая хрень. Очень часто резик R4 в мосте заменяют 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 резики R1 и R2 заменить переменным, но только сдвоенным, то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.

Можно и кондеры С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резиком плавно регулировать частоту в диапазонах. Для тех, кто в танке, почти практическая схема генератора с мостом Вина показана на рисунке 4. Переключателем SA1 осуществляется выбор диапазона, резиком R1 — плавная регулировка в выбранном диапазоне. ОУ DA2 представляет собой повторитель напряжения для согласования с нагрузкой.

В принципе, повторитель можно заменить усилителем, кстати, на том же самом ОУ, ну а как это сделать, можно почитать здесь. Главная Самые основы Маркировка и обозначение Радиокомпоненты Электровакуумные приборы Цифровая техника Микропроцессоры и микроконтроллеры Звукотехника Источники питания Генераторы Цифровая запись Пьезоэлектроника и акустоэлектроника Квантовая электроника Провода, разъемы Печатные платы Авторские разработки Файлы Обратная связь.

Будьте взаимовежливы! Карта сайта. Генераторы негармонических сигналов. Новости:

Генераторы гармонических сигналов на операционных усилителях

Выбор элементной базы. Расчет погрешности прибора. Графическое приложение. Список использованной литературы. Эти генераторы отличаются от релаксационных тем, что в их состав входят электрические цепи или компоненты, обладающие резонансными свойствами.

Кроме того, генераторы используются для обеспечения работы и . синусоидальных колебаний на основе моста Вина. Он представляет собой.

Генератор тестового сигнала с низким уровнем гармоник на мосте Вина

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. На рис. Перестаиваемые генераторы колебаний низких звуковых частот строят либо по схеме С-генератора с мостом Вина , либо по методу биений. Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина , двойного Т — образного моста, сдвигающих С-цепей. Фильтр выполнен на дифференциальном усилителе в интегральном исполнении 1УТВ и представляет собой видоизмененный фазорасщепитель с мостом Вина. При включении в цепь обратной связи моста Вина в автогенераторе возникнут уже синусоидальные колебания так как мост Вина обладает избирательными свойствами.

RC-генератор с мостом Вина

Техническое задание Обзор литературы Разработка структурной и функциональной схемы устройства Разработка принципиальной схемы и выбор элементной базы Разработка аналоговой части

Выбор, обоснование и описание работы схемы электрической принципиальной генератора с мостом Вина.

RC-генераторы

Данная поделка представляет собой генератор синусоидального сигнала по схеме моста Вина. Это решение позволяет без лишних наворотов собрать генератор синусоиды с достаточно низким коэффициентом гармонических искажений, чтобы полноценно использовать его для наладки своих домашних конструкций. Где R1 и R2 это половинки сдвоенного потенциометра. Клеммы Х и Х служат для переключения диапазона выходных частот. К ним можно подключить сдвоенный переключатель либо просто перемычки на плате.

Генератор с мостом Вина

Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f 0 , напряжение на выходе uвых равно нулю при ненулевом входном напряжении uвх. Далее мостом Вина будем называть первую схему с конфигурацией, действительно характерной для мостовых схем, а схему на рис. В реальных схемах генераторов для поддержания колебаний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряжение uвых несколько отличалось от нуля. 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.

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина или Поэтому для стабилизации работы генератора Вина применяют.

Мостовой RC-генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина

Если полосовой фильтр на рис. Омический делитель напряжения обеспечивает частотно-независимое напряжение, равное При этом на резонансной частоте выходное напряжение равно нулю. В отличие от полосового Рис. Мост Вина-Робинсона.

Генераторы синусоидальных колебаний

Если , то формально коэффициент усиления стремиться к бесконечности. Это означает, что в усилителе могут возникнуть незатухающие колебания. Если коэффициенты являются действительными положительными или отрицательными, то условие 6. Если и , то.

В предыдущей главе рассматривались LС-автогенераторы. Они применяются на высоких частотах.

RC-автогенераторы

LC используется на высоких частотах, для низких частот он не пригоден, для НЧ используют RC генератор синусоидальных колебаний. Примером RC-генератора является мультивибратор прямоугольных импульсов. Если надо получить sin колебания определенной частоты, надо создать условия генерации только для этой частоты, все остальные частоты будут затухать. Для создаия генератора RC гармонических колебаний исп. На рисунке изображена цепочка RC. Мост Вина-это комбинированная цепочка, которая имеет сдвиг фаз между выходом и входом от 90 до градусов.

Приходится обходиться подручными средствами. 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.

all-audio.pro

Генератор синусоиды с мостом Вина с низким уровнем искажений

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

В этой статье:

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

Предыстория

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

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

Классика жанра

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

Генератор с мостом Вина

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

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

Автоматическая Регулировка Коэффициента Усиления

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

 

Почти реальный генератор с мостом Вина

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

Но есть всё же две проблемы:

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

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

 

Повышаем устойчивость АРУ и линейность

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

Генератор синусоидального сигнала с малыми искажениями

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

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

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

 

Выходной каскад бюджетного ОУ — в честном классе А

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

Источники тока для загрузки выходов ОУ

• R9 = 6.2 кОм
• VT2-VT4 = КТ503

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

 

Батарейное питание

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

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

Формирование виртуальной земли со сдвигом

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

 

Тестируем, тестируем…

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

LM324 без токовой «подпорки» => переключательные искажения

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

Результат

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

Мост Вина + LM324 + CCS: сигнал на выходе

Результаты обмеров:
THD 1.5%,

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

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

TLС555CP + LM324 = два генератора

 

На самостоятельную проработку 😉

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

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

 

Помоги автору!

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

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

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

 

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

myelectrons.ru