Генераторы сигналов на ОУ

I. Генераторы синусоидальных (гармонических) сигналов.

II. Генераторы импульсных сигналов (несинусоидальных).

Обобщенная структура генератора синусоидальных сигналов

При построении любых генераторов сигналов необходима ПОС, т. к. коэффициент передачи усиления с ОС:

К = К₀/(1 ± bК₀) – ПОС

Если bК₀ = 1 – условие генерации

b’(w)K’(w) = 1

1) |b|*|K| = 1

2) j(w) = 0 или к2p; к = 1, 2 …

Рекомендуемые материалы

Условие 1) – баланс амплитуд: на частоте генерации должны выполняться условия, что потери в цепи ОС должны восполняться усилителем.

Условие 2) – баланс фаз: на частоте генерации сдвиг фаз по цепи усилитель-цепь ОС должен быть нулевым или сигнал ОС должен приходить в фазе, а это и есть условие ПОС.

Из рассматриваемых соотношений следует, что для того, чтобы генерация происходила на одной частоте, т. е. либо цепь ПОС, либо сам усилитель, либо совместно должны обладать частотно-избирательными свойствами. Чаще всего используется пассивная частотно- избирательная цепь, а усилитель обычный или частотно-независимый. В качестве частотно-избирательных цепей используются либо RC – цепи, либо LCR – цепи.

RC – генераторы и LC – генераторы.

Частотно-избирательные цепи, используемые в генераторах

LC – контур

f₀ = 1/(2p)

LC контур обладает ярко выраженными частотно избирательными свойствами.

Полоса пропускания - Df = f₀/Q,

Q – добротность колебаний контура,

Q = R/r,

R – сопротивление потерь в контуре,

r - волновое сопротивление контура.

r =

Высокочастотный контур имеет узкую полосу пропускания и используется в фильтрах, а также для организации частотно избирательной ОС в генераторе.

Для обеспечения сигнала ОС используются:

· полное включение контура

· трансформаторное включение контура с помощью катушки связи.

· автотрансформаторное включение с помощью отвода от основной катушки

 индуктивная трех точка

· емкостная трех точка

Полное включение контура обычно используется в генераторах, имеющих высокое входное сопротивление усилителя, т. е. когда (входн/выходн) цепь генератора не сильно шунтирует сам контур, т. е. вносит слабые потери.

Остальные варианты включения позволяют снизить нагрузку на контур и оптимизировать цепь ОС, но требует дополнительных выводов.

Генераторы с LC контуром, как правило, используются на ВЧ f > 0,1¸1 МГц.

В таких генераторах, особенно ВЧ, может быть учтено и использовано влияние монтажной емкости схемы. LC генераторы обладают более высокой стабильностью частоты, чем RC.

RC частотно-избирательные цепи

Для обеспечения сдвига фаз Dj = 2p на частоте генерации используют либо совокупность дифференциальных цепей, либо интегрирующие цепи.

Либо фазосдвигающие цепи на ОУ (см. раньше). Это наиболее простые генераторы, используемые для построения генераторов на одну фиксированную частоту.

Квазирезонансные RC цепи:

А) Мост Вина

Б) 2Т – мост

Мост Вина

R₁ = R₂ = R

                            - симметричный случай

C₁ = C₂ = C

f_{кв рез} =

f =

Мост Вина также широко используется для построения полосовых фильтров 2-го порядка, в том числе на ОУ.

2Т – мост

2Т – мост является заграждающим фильтром и широко используется при построении, как заграждающих фильтров, так и полосовых фильтров, если его включить в соответствующую цепь ОС.

Практические схемы генераторов синусоидальных сигналов

R₄/R₃ = 1/10

R₂/R₁ = 10

LC генератор на ОУ, где цепь ПОС обеспечена делителем R₃, R₄, LC контур и цепь ООС обеспечивают делители R₂, R₁.

На частоте настройки контура ПОС максимальна, а на всех остальных частотах выбирается меньше требуемой, в результате условие баланса фаз и амплитуд обеспечивается только на частоте настройки контура, что обеспечивает генерацию синусоидального сигнала. Т. к. любая ПОС повышает нестабильность всех параметров усилителя, то в генераторах всегда используется цепь ООС, обеспечивающая в первую очередь стабилизацию амплитуды выходного сигнала.

RC генератор на основе моста Вина

"5.7 Выбор визуальных атрибутов" - тут тоже много полезного для Вас.

1) с параметрической стабилизацией амплитуды

2) с компенсационной стабилизацией амплитуды (с АРУ - автоматической регулировкой усиления)

1) С помощью элементов R₁, C₁, R₂, C₂ (мост Вина) обеспечивается ПОС и избирательные свойства, т. к. b₊ = 1/3, то для обеспечения генерации необходимо, чтобы усиление было строго = 2/3 для обеспечения начала генерации.

Перестройка по частоте может быть обеспечена либо одновременным изменением С₁, С₂, либо R₁, R₂. В рассматриваемой схеме для стабилизации амплитуды выходного напряжения используется нелинейная параметрическая ООС, обусловленная использованием VD₁ и VD₂.

Сопротивление резисторов R₄/R₃ + 1 выбирается таким, чтобы было немного больше 3/2 для обеспечения начала генерации. При возрастании амплитуды U_вых динамическое сопротивление диодов уменьшается, следовательно, глубина ОС увеличивается, усиление уменьшается. При уменьшении U_вых динамическое сопротивление диодов увеличивается, глубина ОС уменьшается, следовательно, усиление увеличивается. Таким образом, при определенной амплитуде U_вых обеспечивается в схеме баланс амплитуд при отклонениях этого напряжения от стационарного, нелинейность ОС обуславливает возврат системы в режим балансе. Т. к. характеристики диодов практически не зависят от частоты в относительно широком диапазоне частот (особенно ВЧ - диоды), то стабилизация достигается в широком диапазоне частот почти мгновенно. Но т. к. ОС нелинейная, то это приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала и такой вариант стабилизации не обеспечивает высокой частоты выходного сигнала. Более чистый сигнал обеспечивает система инерционной стабилизации U_вых (линейной), что реализовано в 2) с помощью цепи R₀ - VD₁ - C₀ - VT₁. В этой схеме ПТ выполняет роль управляемого напряжением резистора и R₃, R₄ выбираются такими, чтобы усиление было несколько больше требуемого (процентов на 10). Цепочка R₀ - VD₁ - C₀ представляет собой преобразователь амплитуды U_вых в напряжение (выпрямитель). Это напряжение на С₀ управляет затвором ПТ (VT₁). При возрастании выходного напряжения, напряжение на С₀ также возрастает, VT₁ закрывается, его выходное сопротивление возрастает, следовательно, глубина ОС увеличивается. Усиление уменьшается и возвращает систему в состояние баланса. При уменьшении амплитуды U_вых действия противоположны и опять возвращение к состоянию баланса. Т. к. здесь используется интегрирование с помощью С₀, то эта система автоматического регулирования с интегратором в цепи ОС, т. е. система инерционна и отрабатывает медленное изменение U_вых. Т. к. система линейна, следовательно, имеет место минимальный коэффициент нелинейных искажений, т. е. монохроматичности выходного сигнала. В прецизионных генераторах сигналов с широким диапазоном перестройки по частоте, используют как параметрическую стабилизацию, так и компенсационную одновременно.

Генераторы импульсных сигналов

При построении импульсных генераторов также используется ПОС и для генерации используется либо заряд-разряд конденсатора, либо разряд-заряд индуктивности (магнитная энергия), либо используются линии задержки, задерживающие во времени выходной сигнал.