М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Недостаток фильтра с переключаемыми конденсаторами заключается в том, что тактовые импульсы могут пролезать в сигнал; правда, обычно частота у,' очень велика по сравнению с частотой сигнала и небольшой стандартный фильтр нижних частот может решить эту проблему. Стоит отметить, что из сравнения соотношений (11.39) и (11.3) следует, что при переходе от традиционного интегратора к варианту с переключаемыми конденсаторами величина Я переходит в !/(/;„С,).Переключаемый конденсатор на входе ведет себя подобно резистору, как фактический регулятор потока заряда.
На одном кристалле можно изготовить большое число цепей с переключаемыми конденсаторами и относяшимися к ним усилителями, и это лает возможность создавать фильтры с очень крутым спадом частотной характеристики и со сколь угодно точно задаваемой шириной полосы. Их часто применяют в связи с аналого-цифровым преобразованием.
Схемы с положительной обратной связью и генераторы 12.1 Положительная обратная связь Одним из наиболее полезных измерительных приборов в экспериментальной электронике является генератор. Поэтому естественно, что мы рассмотрим методы, используемые при создании генераторов. Положительная обратная связь является главной обшей особенностью всех генераторов. При обсуждении отрицательной обратной связи в параграфе 4.3, мы нашли, что коэффициент усиления любого усилителя с обратной связью определяется выражением А= Ао 1-Фа ((4. 1)] 1-,ОА =О, (12. 1) которое дает бесконечное значение для А = Аа/(1 — рАе).
Это означает, что усилитель создает выходной сигнал в отсутствие входного, что и является условием генерации. Самовозбуждаюшаяся колебательная система является сердцем каждого генератора. Генератор синусонаального сигнала конструируется так, чтобы условие (12.1), часто называемое критерием Баркгаузела, выполнялось только на одной частоте. где А, — коэффициент усиления без обратной связи, а 0 — величина, показываюшая, какая часть выходного сигнала возврашается на вход. При отрицательной обратной связи Гт или А, отрицательные, так что знаменатель всегда больше единицы.
Однако в случае положительной обратной связи может выполняться условие 342 Схемы с нолохсительной обратной связью и генераторы 12.2 Генераторы синусоидальных колебаний 122.1 Генератор с фазовращателем Удобно начать изучение практических схем генераторов с применения положительной обратной связи в однокаскадном усилителе напряжения. Этот вариант реализуется в генераторе с фазоврашателем, схема которого приведена на рис. 12.1. гсс 9В ов Рис.
12.1. Генератор с фазоврашателем (синусоидадьный выход). Чтобы получить колебания, необходима фазосдвигаюшая цепь, поскольку, как мы видели в разделе 1.6. 3, усилитель дает сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному 180 . Следовательно, для получения положительной обратной связи внешняя цепь (Я„Си Я',, С,, Я„С,) должна сдвигать фазу еше на 180'.
Такой трехступенчатый фазоврашатель показан отдельно на рис. 12.2. Заметим, что резистор Я, на рис. 12.2 представляет собой параллельное соединение резисторов Я, и Я, на рис. 12.!. В усилителе используется схема Дарлинпона, так что можно пренебречь входным сопротивлением транзистора, поскольку оно очень велико. Интересно отметить, что для получения фазового сдвшн 180'в результате прохождения через пассивную цепь необходимы три ЯС-звена, чтобы иметь заметный выходной сигнал.
Одно ЯС-звено может, в принципе, дать сдвиг фазы как раз 90', но для этого сопротивление конденсатора должно быть много больше сопротивления резистора, в результате чего имеет место почти бесконечное ослабление. Резистор- пробка» Я, с сопротивлением 100 Ом (рис. 12.1) служит для подавления нежелательного возбуждения на высокой частоте. Ослабление и сдвиг фазы в схеме, приведенной на рис. 12.2, можно найти из анализа цепи, подобного тому, который был использован при расчете с, Рис. 12.2.
Схема фазовращателя. фильтров в разделе 11. 14, начиная с выхода схемы. Если Я, = зс, = Я, и С, = С,= С„то Уо (щи) юг йЖС (12.2) Чтобы найти круговую частоту оза, на которой сдвиг фазы цепи обратной связи равен 180', надо приравнять нулю мнимую часть этого выражения, то есть 1 6()1С)' 1 юа = ас'6ЯС или 1 Хо = Гц.
2нзГбЯС (12. 3) Подставляяоз =оза в выражение (12.2), получим, в конце концов, величину затухания цепи, то есть коэффициент обратной связи)9 в соотношении (4.1): — с =1 — 5х6 = -29, )о следовательно, уо 29' Отрицательный знак указывает на то, что сдвиг фазы равен180', в то время как численная величина говорит о том, что для поддержания колебаний усилителю необходимо иметь коэффициент усиления не менее 29. Схе- 1 6 (д> )2С)з юа)сС поэтому Генераосоры синусоидальных колебаний 343 344 Схемы с нолоэсительной обратной связью и генераторы ма на рис. 12.1 очень хорошо подходит для экспериментов.
Ниже дается несколько советов: (а) Измерьте частоту колебаний путем сравнения на осциллографе с колебаниями лабораторного генератора. Лучше все же воспользоваться цифровым частотомером. Сравните ваш экспериментальный результат с теоретическим значением. (Ь) Изучите на осциллографе форму выходного сигнала. Является ли она хорошим синусоидальным колебанием? Если доступен двухлучевой осциллограф, используйте выходной сигнал лабораторного генератора для сравнения. Часто искажения сигнала на выходе генератора с фазоврашателем достаточно серьезные, поскольку единственной причиной ограничения амплитуды выходного сигнала является нелинейность, имеюшаяся в транзисторе при больших выходных сигналах. Кроме того, с изменением частоты сдвиг фазы в фазоврашателе изменяется довольно медленно.
В результате коэффициент передачи фазоврашателя все еше остается значительным для гармоник основной частоты, и компоненты сигнала, возникаюшие в результате искажений, проходят с его входа на выход. (с) Если используется регулируемый источник постоянного напряжения, то с его помощью удобно провести тонкую установку коэффициента усиления схемы.
Уменьшим К до такой величины, при которой в схеме еше сохраняются колебания; форма колебания при этом должна быть совсем близка к синусоидальной. Теперь можно измерить коэффициент усиления усилителя, удалив конленсатор С; и подавая сигнал в точку соединения резисторов А, и В, через обычный развязываюший конденсатор емкостью порядка 1О мкФ. Сравните измеренный коэффициент усиления с теоретическим значением, равным 29.
(г() Самым простым способом изменения частоты выходного сигнала является изменение емкости конденсаторов Со С„С, ( вместо этого можно изменить сопротивление резисторов Во В, и Вм но при этом следует пропорционально изменить и Во чтобы сохранить правильный режим усилителя по постоянному току). Исследуйте частотный диапазон, в котором схема будет генерировать. Ограничение в области нижних частот накладывает реактивное сопротивление конденсатора С„а на высокой частоте становится значительным влияние паразитных емкостей, уменьшаюших коэффициент усиления и вводяших нежелательный сдвиг фазы. /2 2.2 Генератор с мостом Вина Генератор с мостом Вина является наиболее популярной схемой генератора звуковых частот.
Он обладает достаточно хорошей стабильностью частоты и может давать очень малые искажения; кроме того, он легко перестраивается. На рис. 12.3 показана простейшая схема генератора с мостом Вина, где в качестве усилителя используется ОУ 741. Частотно-зависимое плечо моста Вина содержит цепи В, С, и В,С,, через которые на вход усилителя проходит сигнал положительной обратной связи, в то время как сигнал отрицательной обратной связи подан через резистор В, и лампу накаливания. Генераторы синусоидачьных колебаний 345 Сначала полезно посмотреть на вьгделеннуго часть моста Вина, показаннуго на рис. 12.4(а), где она наглядно изображена в виде делителя напряже- с, с, г,з н г кгн о.в гн! гы Рис.
12.4. Частотно-зависимое плечо моста Вина: (а) соответстауюгиие компо- ненты, азятые отдельно от схемы генератора, (Ь) эквивалентная схема дели- теля напряжения. ния. Пользуясь эквивалентной схемой этого делителя (рис. 12.4(Ь)), можно написать выражение для коэффипиента ослабления: Рис. 12.3, Генератор с мостом Вина иа основе ОУ. 71 +Уз 7~ )о кг 2г Теперь, возврашаясь к действительной схеме, иааньный ой ангню наа аа ннюьно 346 Схемы с положительной обратной связью и генераторы 1 7, = Я, е у' — (Я, и С, соединены последовательно) и 1 1 — = — + уюСг (гт, и С, соединены параллельно), ~2 '~2 то есть, 2 г= 1+ / агСг)(2 поэтому ~ г ! + ь~~! + (ИагС! )к1 + ./огС2 ~~2 ) 1о )(2 Преобразуя, получаем — '=1+ — '+ — + г ог((гС2— (12.4) — — — (,,—,1 Выражение (12.4) упрошается при условии Я, = Я, = !! и С, = С, = С, которое, как правило, выполняется: — =3+у~ юг!С вЂ” — .
Г 1 !' ~, агЯС Мнимая часть исчезает на резонансной частоте юв, когда 1 озе)(С юО~ С то есть при 1 аго = ЯС или зь = (12.6) 2лЛС В схеме парис. 12 3 !!С=15х10 секунд и ДО =1000 Гц. На резонансной частоте моста ВинаД сдвиг фазы равен нулю, поскольку равна нулю мнимая часть, и остается ослабление — = 3. !о Следовательно, для того, чтобы в генераторе с мостом Вина установились колебания, усилитель должен иметь коэффициент усиления больше 3. В разделе 12.2.1 мы видели, что генератор с фазоврашателем дает несколько искаженную форму сигнала, поскольку единственным фактором, ограничиваюшим амплитуду выходного сигнала, является нелинейность самого усилителя.
В схеме с мостом Вина этот вопрос решается легко: относительно низкий требуемый коэффициент усиления означает, что можно применить сильную Генераторы синусоидальных колебаний 347 отрицательную обратную связь и средство стабилизации амплитуды непосредственно ввести в петлю обратной связи. В схеме на рис. 12.3 делитель цепи обратной связи содержит резистор Я, с сопротивлением 100 Ом и 6-вольтовую лампу накаливания с током 0,04 А. Хорошо известно, что при нагревании нити лампы ее сопротивление изменяется чрезвычайно сильно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
