Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

    Микросхема ICL8038 позволяет построить полноценный генератор импульсов с выходными напряжениями синусоидальной, треугольной и прямоугольной формами выходного сигнала. Данный генератор имеет огромный частотный диапазон, охватывающий и инфразвуковую и ультразвуковую часть. Может быть запитан и от однополярного напряжения и от двуполярного, диапазон питающих напряжений огромен — от ±5 В до ±15 или от +10 до +30 вольт.
    Принципиальных схем генератора на микросхеме ICL8038 довольно много и тщательно пересмотрев несколько вариантов, перечитав даташник я решил использовать более продвинутый вариант схемы для своих нужд. Сразу скажу — мне понадобился генератор синусоидального сигнала с частотой 50 Гц, поэтому схему я упростил по максимуму:

   
    Подобный генератор синусоидального напряжения мне понадобился для создания бесперебойного питания, но финальная схема данного бесперебойного источника питания еще в работе, а пока было решено попробовать что умеет данная микросхема. Навесным монтажом была собрана обвязка данной микросхемы и првоверено какой регулятор за что отвечает ну и на всякий случай проверился частотный диапазон.

    На основен увиденных характеристик ICL8038 и была выбрана схема для создания функционального генератора, который будет собран несколько позже.

    Схема не моя, поэтому немного скажу что бы я изменил.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Прежде всего лучше добавить еще один частотный даиапазон. Для полноты фунциональности нужно лучше проработать узел на RV2 — регуляторе симметричности длительности импульсов и пауз меду ними. Если использовать переменный резистор с щелчком в среднем положении, то его можно вывести на переднюю панель прибора и использовать по прямому назначению — иногда бывает нужно при наладке устройств импулься различной длительности. Правда номиналя RV2 придется значительно увеличить и изменение сопротивления в зависиммости от угла поворота должно быть линейным.
    И еще, обратите внимание на номиналя резисторов R8, R9 и R10 — они разные потому что амплитуда на выходах микросхемы тоже разная и данное изменение номиналов позволяет выровнять амплитуду под одинаковое значение.
    Печатную плату пока не разрабатывал именно под функциональный генератор, а для своих нужд плата разработана, но еще не проверена — чуть позже будут подробности. Покупал ЗДЕСЬ.

СКАЧАТЬ ДАТАШНИК НА ICL8038

Адрес администрации сайта: [email protected]

Генератор синусоидального сигнала со стабильной амплитудой

В статье рассмотрен разработанный автором генератор сину-соидальных колебаний фиксированной низкой частоты, имеющих высокую стабильность амплитуды.

Он содержит всего один операционный усилитель, три параллельных стабилизатора напряжения и один полевой транзистор. Особенность генераторов с мостом Вина в цепи обратной связи — необходимость точно поддерживать необходимый коэффициент передачи усилительного звена.

Для поддержания амплитуды синусоидальных колебаний на определённом уровне, гарантирующем минимальные искажения и максимальную временную и температурную стабильность, необходима регулируемая обратная связь.

В качестве регулирующих её элементов применяют лампы накаливания, терморезисторы, диоды, стабилитроны, полевые транзисторы.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Температурная и временная стабильность большинства генераторов, использующих для стабилизации указанные элементы, как правило, недостаточны для применения в измерительных устройствах. Поэтому часто применяют дополнительные меры для её повышения.

Например, в прецизионном генераторе синусоидальных колебаний [1] цепь АРУ образована дифференциальным усилителем на паре транзисторов и полевым транзистором, работающим в режиме регулируемого напряжением сопротивления.

Температурный дрейф выходного напряжения генератора определяется в основном свойствами транзисторов дифференциального усилителя и при тщательной их подборке не превышает 1 мВ/°С.

В генераторе синусоидальных сигналов [2] применена микросхема преобразователя среднеквадратичного напряжения в постоянное LTC1968 с усилителем ошибки на ОУ, управляющим полевым транзистором в цепи АРУ. Стабильность амплитуды этого генератора — 0,1 %.

В генераторах [3, 4] выпрямленное генерируемое колебание сравнивается с образцовым напряжением, а их усиленная разность управляет сопротивлением канала полевого транзистора. Н

естабильность амплитуды у генератора [4] не превышает нескольких десятков милливольт. Кстати, при повторении этого генератора необходимо заменить транзистор КП103, например, на КП305Ж, иначе генератор не заработает.

Принципиальная схема

Я предлагаю построить генератор иначе. Его схема изображена на рис. 1. Собственно генератор собран на ОУ DA4 КР140УД1208, отличающемся малым потребляемым током.

Рис. 1. Принципиальная схема генератора синусоидального сигнала со стабильной амплитудой.

Мост Вина R11C8R15C9 задаёт частоту генерации 50 Гц. Для настройки на другую частоту элементы моста рассчитывают по формуле

где R=R11=R15, а С=С8=С9. Для минимизации искажений элементы моста должны быть подобраны точно.

Стабилизирует амплитуду генерируемых колебаний работающий в режиме управляемого напряжением резистора полевой транзистор VT1 в цепи отрицательной обратной связи ОУ.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Управляющее напряжение поступает на затвор полевого транзистора с выхода компаратора, выполненного на параллельных стабилизаторах напряжения DA2 и DA3, который реагирует на разность положительного амплитудного значения выходного напряжения генератора и термокомпенсированного порогового напряжения 2,5 В стабилизатора DA2.

При положительном значении этой разности напряжение на катоде стабилизатора DA2 — около +2 В, в противном случае оно близко к напряжению питания (+6 В).

Стабилизатор DA3 служит логическим инвертором напряжения на катоде стабилизатора DA2. Постоянная времени интегрирующей цепи R8C7 выбрана значительно большей периода генерируемых колебаний, чтобы АРУ, стабилизируя амплитуду сигнала, не искажала его синусоидальную форму. При частоте колебаний 50 Гц время их установления достигает нескольких секунд.

На рис. 2-5 показаны осциллограммы сигналов в некоторых точках генератора. Они сняты при скорости горизонтальной развёртки 5 мкс/дел. и коэффициенте отклонения по вертикали 2 В/дел.

Источником напряжения +6 В служит стабилизатор DA1. Ёмкость конденсатора С6, устраняющего возможное самовозбуждение микросхемы DA1, выбрана с учётом границ стабильности, указанных в [5] (с. 13, рис. 16).

Интегрирующая цепь R16C10 предназначена для контроля симметрии генерируемого сигнала относительно нулевого уровня. Её добиваются, установив подстроечным резистором R14 нулевое напряжение в контрольной точке XT1.

Рис. 2. Осциллограмма сигнала — выход DA4.

Рис. 3. Осциллограмма сигнала — вывод 3 DA2.

Рис. 4. Осциллограмма сигнала — вывод 1 DA3.

Рис. 5. Осциллограмма сигнала — вывод 3 DA3.

Генератор был испытан на термостабильность путём его нагрева до температуры 30 °С. Исходное эффективное значение выходного синусоидального напряжения 2 Вэфф увеличилось на 4 мВ, что соответствует 0,13 мВ/°С или 0,0065 %/°С. При этом ток, потребляемый от источника напряжения +9 В, был равен 3,2 мА, а от источника напряжения -9 В — 0,5 мА.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Эффективное значение генерируемого напряжения оставалось неизменным при изменении плюсового напряжения питания в пределах +(8…Ю) В, а минусового — в пределах -(4… 10) В. Следовательно, генератор можно питать нестабилизированным напряжением.

Для правильной работы генератора значения сопротивления резисторов R9-R12 должны относиться как 10:1:0,63:1,9. Для резисторов R9, R10, R12 это соответствует наиболее устойчивой работе генератора с мостом Вина, а для резистора R11 — минимальному дрейфу ОУ.

Детали

Конденсаторы С7-С9 — плёночные MKS2, имеющие стабильную ёмкость и высокое сопротивление изоляции, причём ёмкость конденсаторов С8 и С9 подобрана одинаковой с точностью 0,1 %.

Возможно применение прецизионных конденсаторов К71-7. Конденсатор C10 — оксидный неполярный. Резисторы R9-R12 — С2-29В или С2-14, остальные — МЛТ или подобные.

Генератор, собранный по аналогичной схеме на операционном усилителе 140УД17А, обеспечил температурную стабильность амплитуды колебаний 0,03 мВ/°С или 0,0015 %/°С.

Б. Демченко, г. Киев, Украина. Р-05-19.

Литература:

  1. Алексенко А. Г, Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. — М.: Радио и связь, 1985.
  2. Генератор синусоидальных сигналов с высокой амплитудной стабильностью и малыми искажениями. — elcomdesign.ru.
  3. Ленк Дж. 500 практических схем на популярных ИС. — М.: ДМК Пресс, 2001.
  4. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства. — М.: Радио и связь, 1984.
  5. TL431, TL431A Прецизионные настраиваемые параллельные стабилизаторы напряжения. — naliwator.narod.ru — tl431rus.pdf.

Источник стабильного синусоидального напряжения, синхронизированного с сетью переменного тока

Введение

Импульсные стабилизаторы напряжения переменного тока позволяют не только поддерживать постоянную величину напряжения, но и исправлять отклонения от синусоидальной формы [1]. Для этого необходим источник эталонного напряжения синусоидальной формы, частота и фаза которого совпадает с частотой и фазой стабилизируемого напряжения сети переменного тока.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Возможны два способа построения генератора эталонного (опорного) напряжения. Один из них основан на использовании генератора стабильного синусоидального напряжения, принудительно синхронизируемого с сетевым напряжением. Генератор можно построить на операционных усилителях [2] или генерировать дискретные значения синусоиды sin((2π/m)n), n = 0, 1, 2,… в микропроцессоре путем последовательных итераций по формуле:

yn+2 = 2a yn+1 — yn, (1)

где a = cos(2π/m), y0= 0, y1 = sin(2π/m), m = T/T0— целое число, Т и Т0 — соответственно период напряжения сети и период дискретизации импульсного стабилизатора.

Следует учитывать, что ограничение разрядной сетки микропроцессора вызывает погрешности вычисления значений синусоиды методом итераций. Основными причинами возникающих ошибок являются погрешности ввода значений у11) и а (δа), а также погрешности округления при вычислениях. Нетрудно показать, что погрешность в значении у1 вызывает отклонение амплитуды синусоиды от 1, равное δ1/sin(2π/m) ≈ (δ 1m)/2π. Погрешность в амплитуде может быть скомпенсирована при настройке стабилизатора путем соответствующей регулировки коэффициента обратной связи.

Более существенна погрешность ввода значений параметра а на величину периода генерируемой синусоиды. Можно показать, что погрешность δ авызывает относительную погрешность периода синусоиды

Так, при m = 100, a = cos(2π/100) = 0,998026728 и δ а= ±0,0001 получаем по точной формуле

δT / T= ±0,025761806

и δT /T = ±0,025330296 — по приближенной.

Таким образом, ошибка ввода значений параметра а всего на 1 в четвертной десятичной значащей цифре дает погрешность в периоде (частоте) в 2,5% и требует для представления мантиссы числа а не менее 13 двоичных разрядов.

Даже значительное повышение точности ввода значений у1и а не может обеспечить длительную работу генератора эталонных значений синусоиды без периодического согласования ее фазы с фазой стабилизируемого напряжения, в том числе и в случае постоянства его частоты.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Причина этого в постепенном неограниченном увеличении разности фаз эталонного и стабилизируемого напряжений, вызываемом разностью, пусть и очень малой, их частот (периодов).

В случае искажения формы стабилизируемого напряжения момент прохождения волны напряжения через 0 может быть смещен, что затрудняет и без того достаточно сложную задачу синхронизации.

Другой способ построения генератора эталонного напряжения заключается в преобразовании напряжения сети переменного тока с помощью линейных и нелинейных цепей для обеспечения стабилизации амплитуды эталонного напряжения и его синхронизации с сетью.

Второй способ принципиально более прост, поскольку частота эталонного напряжения естественным образом совпадает с частотой сети. Этому способу и посвящена данная работа.

Стабилизация величины (амплитуды) эталонного синусоидального напряжения

Положим вначале частоту напряжения сети постоянной. В действительности она изменяется, хотя и в значительно меньшей степени, чем амплитуда напряжения. В основу стабилизации величины напряжения удобно положить ту же идею параметрического стабилизатора, используемого в стабилизаторах постоянного тока и в феррорезонансном стабилизаторе переменного тока. Ограничитель, представленный на рис 1, преобразует синусоидальное напряжение в трапецеидальное, достаточно мало отличающееся от прямоугольного, если амплитуда входного напряжения Um значительно превосходит уровень ограничения U (то есть U/UmK 1). В этом случае изменение Um в реальных пределах, например ±20%, вызовет незначительные изменения выходного напряжения и, следовательно, амплитуды его первой гармоники

(2)

где φ = arc sin d, d = U/Um.

Рис. 1

Очевидно, что U1 остается при малых d близкой к амплитуде первой гармоники прямоугольного напряжения, равной 4 U/π.

В действительности напряжение на выходе ограничителя несколько изменяется относительно уровня ограничения, вследствие конечного (не нулевого) дифференциального сопротивления диодов и стабилитрона.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Использование двухкаскадного ограничения позволяет свести эти отклонения практически к нулю.

Относительную величину изменения амплитуды первой гармоники, вызванную изменением амплитуды напряжения сети на δUm, можно оценить по формуле

(3)

Из (3) видно, что при Um = 220v2 В, U = 15 В относительное изменение U1 в 1280 раз меньше относительного изменения Um, это позволяет считать амплитуду основной (первой) гармоники U 1 практически постоянной.

Для выделения первой гармоники с фазой, равной фазе сети, необходим фильтр с фазовой характеристикой, равной – π (-180°) на частоте сети ωc= 2 π /T.

Поскольку выходное напряжение ограничителя содержит только нечетные гармоники, нелинейные искажения на выходе фильтра определяет третья гармоника выходного напряжения ограничителя. Амплитуду третьей гармоники U3 можно считать равной амплитуде третьей гармоники прямоугольного напряжения

U3 = 4U/3 π

или приблизительно в 3 раза меньшей амплитуды первой (полезной) гармоники.

Чтобы третья гармоника в эталонном напряжении не превышала допустимой величины по отношению к основной, то есть

U 1/ U 3 ≥q L 1, (4)

необходимо выполнить условие

(5)

где Aф(ω) = | Wф(jω) | — амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра, Wф (p) — его передаточная функция.

Стабилизация фазы и амплитуды эталонного напряжения при изменении частоты сети

При изменении частоты сети изменяется амплитуда и фаза выходного напряжения фильтра. Для уменьшения этих изменений до допустимых значений необходимо обеспечить постоянство частотных характеристик фильтра в частотном диапазоне:

ω c — δω c ≤ ω ≤ ω c — δ ω c, (6)

где ω c— номинальная частота сети, δω c— возможное отклонение частоты от номинального значения.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Для реализации этого достаточно включить последовательно с фильтром устройство с частотной передаточной функцией

(7)

где W0 = Wф(j ωc) — вещественное отрицательное число.

Учитывая сложность реализации устройства с частотной характеристикой (7), можно ослабить требования к ней вне диапазона (6).

При 0 < ω < ω c— δ ω cпринципиального значения характер W1 (jωc) не имеет, поскольку гармоник с частотой ниже ω c— δω cбыть не может. На высоких же частотах ω>ωc+δωcвысокочастотные гармоники отфильтрованного напряжения не должны заметно усиливаться, чтобы сохранялось условие (4).

Обозначив δWф(jω) = Wф(jω) — W0, можно преобразовать (7) к виду

(8)

Точность приближения возрастает при уменьшении δω=ω- ωc. Малость возможных отклонений сети позволяет, как показывает анализ, получить достаточную точность приближения и, следовательно, постоянство амплитуды и фазы эталонного напряжения при изменениях частоты сети.

Структурная схема фильтра и компенсатора изменений его частотных характеристик представлена на рис. 2.

Рис. 2

Частотная передаточная функция фильтра и компенсатора согласно рис. 2 определяется выражением

W(jω) = Wф(jω)(1 — δWФ(jω)/W0) = Wф(jω)(2- WФ(jω)/W0. (9)

Условие допустимости уровня высших гармоник с учетом компенсатора принимает вид

Учитывая, что | W0| = A(ωc) K A(3ωc)= | W(j3ωc) |, условие (10) приближенно можно записать в виде

(11)

Для примера используем в качестве фильтра низкочастотный фильтр Баттерворта 4-го порядка [3], имеющий нормированную передаточную функцию

(12)

где s = p/ω0,, ω0 — частота среза, соответствующая значению амплитудно-частотной характеристики, равному

Нетрудно проверить, что фазовая характеристика на частоте среза имеет значение – π (-180°).Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Следовательно, частота среза фильтра должна равняться частоте сети, то есть ω0 = ωс. Вычислив А(ωс)/A(3ωс) = 57,28, получаем, что амплитуда третьей гармоники составит не более 200А(3ωс)/3 A(ωс)% = 1,2% от амплитуды основной (первой) гармоники.

Вычислив относительную величину пятой гармоники в эталонном напряжении, получаем

что оправдывает оценку отклонения формы эталонного напряжения от синусоидальной только по третьей гармонике.

Для оценки стабильности амплитуды и фазы эталонного напряжения при изменениях частоты сети рассчитаны относительные отклонения амплитудно-частотной характеристики компенсированного фильтра (9) от номинального значения 1/v2, соответствующего номинальной частоте сети

и отклонения его фазовой характеристики φ (ω) от номинального значения φ (ωс) = -180°

при небольших относительных изменениях частоты сети

δ ω = (ω — ωc)/ ωc = δω/ ωc.

Результаты расчета в процентах и градусах соответственно представлены на рис. 3. Там же для сравнения построены графики относительного отклонения АЧХ фильтра δАф(12) от номинального значения АЧХ АФ((ωc) = 1/v2

(15)

и отклонения его фазовой характеристики φф(ω) от ее номинального значения φфс) = -180°

δφф (ω) = φ ф(ω) + 180°.

Рис. 3

Анализ результатов показывает, что при реальных отклонениях частоты промышленной сети |δω| < 1% значения δA и δφ оказываются вполне допустимыми.

Для получения такой же стабильности при больших допустимых отклонениях частоты, характерных, например, для дизель-электрических станций, возможно использование второго, более простого фильтра (3-го порядка) с компенсатором (рис. 2), что позволит уменьшить и долю высших гармоник в опорном напряжении.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Реализация фильтров Баттерворта осуществляется на основе операционных усилителей [3]. Фильтр 4-го порядка использует два операционных усилителя, а фильтр 3-го порядка можно построить на одном усилителе.

Экспериментальная проверка полученных результатов

Для оценки корректности полученных результатов и экспериментального исследования предложенного источника эталонного напряжения в системе Matlab 6.5 Simulink 5 построена его математическая модель, представленная на рис. 4. Моделирование выполнено с замедлением по времени в 100π раз, что соответствует частоте входного синусоидального напряжения, генерируемого блоком Sine Wave в 1 рад/с. Начальная фаза напряжения выбрана нулевой. Ограничитель напряжения Saturation ограничивает синусоидальное напряжение на уровне ±15 В. Фильтр Баттерворта 4-го порядка для упрощения моделирования представлен двумя блоками Tranfer Fcn 1 и Transfer Fnc 2 с передаточными функциями W1(s) = 1/(s2 + a1s + 1) и W2(s) = 1/(s2 + a 2s + 1) соответственно. Компенсатор представлен в модели усилителем Gain с коэффициентом 2, фильтром Баттерворта на блоках Transfer Fnc 3 и Transfer Fnc 4 с передаточными функциями W1(p) и W2(p) соответственно, усилителем Gain 1 c коэффициентом K=–1/W0 = v2 и сумматором Sum. Осциллограф Scope показывает процесс включения источника при амплитуде входного напряжения Um = 220v2 B. В переходном процессе наблюдается значительное превышение выходным напряжением расчетной амплитуды, равной согласно формуле (2) U1 = 13,4995 B. При построении фильтра и компенсатора на реальных операционных усилителях этот выброс выходного напряжения будет ими ограничен. Очевидно, что выброс выходного напряжения вызван компенсатором, поскольку фильтр Баттерворта не дает выброса выходного напряжения. Это показывает Scope1, на котором наблюдаются выходные напряжения фильтра и ограничителя.

Рис.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов 4

Для оценки погрешности выходного напряжения источника Sum1 суммирует синусоидальное напряжение амплитудой U1 и начальной фазой 0 с генератора Sine Wave 1 с выходным напряжением источника, имеющим фазу 180°. Через усилитель Gain 2 с коэффициентом 100 и ограничитель Saturation 2, срезающий начальный выброс для получения удобного масштаба по оси у, разница напряжений подается на Scope2. Туда же подано и напряжение первой гармоники с блока Sine Wine 1. Рассматривая процессы на экране Scope2, можно видеть, что ошибка выходного напряжения представляет в основном третью его гармонику, амплитуда которой U3 составляет приблизительно 0,012 от амплитуды первой гармоники U1. Это согласуется с теоретическим результатом 1,2%, полученным выше. Можно видеть также наличие в ошибке первой гармоники весьма малой амплитуды (примерно 0,2% от U 1) и отстающей от первой гармоники выходного напряжения на 90°. Причина ее существования не вполне ясна, а малость не вызывает потребности в исследовании.

Изменение амплитуды входного напряжения на ±20% не приводит практически к каким-либо изменениям в выходном напряжении, что легко усмотреть на экране Scope2, не претерпевающем никаких изменений.

Увеличение и уменьшение частоты на 1% тоже не приводит к заметным изменениям, что видно из рис. 5 и 6 соответственно, что подтверждает теоретический результат (рис. 3). Однако уже при повышении частоты на 3% в ошибке выходного напряжения появляется заметная первая гармоника (рис. 7). Амплитуда ее примерно 2% от U1, что также хорошо согласуется с теоретическим значением.

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Действительно, теоретическое значение амплитуды первой гармоники в ошибке выходного напряжения составляет в процентном отношении от амплитуды первой гармоники выходного напряжения, равной U 1/v2, величину |Wф (jω)[v2 + Wф(jω)]+1| x 100%. При повышении частоты на 3% (δω = 0,03) получаем 1,5%.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

При известных значениях δА в процентном отношении и δφ в радианах эту величину можно определить по приближенному выражению:

дающему при малых δω практически тот же результат.

Выводы

Источник эталонного напряжения для импульсного стабилизатора напряжения переменного тока можно построить, используя весьма простые элементы.

Предложенная методика его расчета дает вполне удовлетворительный результат.

Литература

  1. Тимченко Н. М., Жуков В. И. Импульсный стабилизатор переменного напряжения. Авторское свидетельство СССР № 472339, 1975.
  2. Вавилов А. А., Солодовников А. И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М.-Л.: Госэнерго-издат, 1963.
  3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.

Широкодиапазонный генератор сигналов В-333

Широкодиапазонный генератор сигналов В-333 предназначен для генерации электрических сигналов в диапазоне частот от 0,1 Гц до 300 МГц.

Генератор В-333 является измерительным блоком комплекса «Alma Meter–2»


Основные технические характеристики

Амплитудные

  • Число выходных каналов — 2
  • Выходное сопротивление каналов — 50 Ом
  • Диапазон выходного напряжения формируемых сигналов для канала А :
    • ±10 В, ±3 В (±5 В, ±1,5 В) при работе на нагрузку 1 кОм (50 Ом)
  • Разрядность ЦАП — 14 бит
  • Основная абсолютная погрешность установки напряжения постоянного тока для канала А, В: ± (0,005 + 0,003*U )
    (U – установленное значение выходного напряжения, В).
  • Основная абсолютная погрешность установки напряжения переменного тока при работе на нагрузку 50 Ом:
    • (0,005 + 0,01*U) в полосе частот от 0,1 Гц до 3 МГц
    • (0,005 + 0,035*U) в полосе частот от 3 МГц до 10 МГц

    (U – установленное действующее значение напряжения синусоидального сигнала, В )

  • диапазон выходного напряжения для канала В для нагрузки 50 Ом от 0,5 до 1 В (СКЗ)
  • Неравномерность амплитудно-частотной характеристики канала В при воспроизведении сигнала синусоидальной формы в диапазоне от 20 Гц до 100 МГц – не более ±1 дБ, в диапазоне от 100 МГц включительно до 300 МГц – не более ±3 дБ

Частотно-временные

  • Частота дискретизации сигналов: канал А — до 100 МГц, канал В до 1000 МГц
  • Диапазон частот формирования сигналов: канал А — 0,1 Гц … 10 МГц, канал В — 0,1 Гц … 300 МГц
  • Абсолютная погрешность установки генератором частоты сигналов, Гц : ±(0,01 + 5е-5 • f), где f – установленное значение частоты, Гц.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов
  • Временная нестабильность частоты сигналов после установления рабочего режима: не более, ±1е-6 за любые 15 мин работы

Синхронизация

  • Режимы генерации:
    • однократный
    • непрерывный
  • Источники запуска:
    • внутренний
    • внешний (с настройкой уровня запуска)
  • Формирование выходного синхроимпульса (положительная полярность, ТТЛ)

Прочие

  • Интерфейсы с компьютером:
    • Ethernet 100 Мбит, USB 2.0
  • Питание — 5 В
  • Размеры: 115х40х190 мм
  • Масса: 0,6 кг

Основные программно-функциональные характеристики

  • Программное обеспечение реализовано для операционных систем Windows 7,8,10
  • Автоматическая калибровка и подстройка амплитуды сигнала в зависимости от нагрузки
  • Формирование и оперативное изменение основных параметров следующих стандартных сигналов:
    • напряжения постоянного тока
    • синусоидальной формы
    • треугольной (в том числе пилообразной) формы
    • прямоугольной формы
    • экспоненциальной формы
    • шума
  • Способы формирования сигналов:
    • путем задания основных параметров одного из стандартных сигналов
    • аналитически, с помощью математических формул и библиотеки функций
    • чтением из памяти ранее сформированных/запомненных сигналов (в том числе, зарегистрированных цифровым осциллографом, задаваемых в ASCII коде и т.п.)
  • Имитация на экране реального генерируемого сигнала с учетом сопротивления подключенной нагрузки, частоты дискретизации

Состав програмного обеспечения

  • Программа генератора сигналов Generator
  • Программа конфигурирования настроек прибора для работы в сети Ethernet

Скачать программное обеспечение

Прайс-лист

Генератор синусоидального сигнала на логических микросхемах

категория

Самодельные приборы и оборудование

материалы в категории

Радиоконструктор 2007 №11

Обычно, генераторы низкочастотных синусоидальных сигналов строят на операционных усилителях.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Но логические элементы тоже могут работать в аналоговом режиме -в качестве усилителей. В литературе эта тема затрагивалась неоднократно, но в основном это были схемы усилителей аналоговых сигналов (усилители НЧ на КМОП-микросхемах, приёмники прямого усиления и т.п.). Но любой усилитель, даже сделанный из логических элементов, можно превратить в генератор, — все дело в обратной связи…

На рисунке 1 приводится схема синусоидального генератора НЧ фиксированной частоты, реализованного на двух логических инверторах микросхемы К561ЛН2. Инверторы переведены в аналоговый режим с помощью ООС на резисторах R1 и R3. каждый из которых включен между входом и выходом инвертора. Полученные таким образом усилители включены последовательно (как два каскада) через резистор R4. Причем, коэффициент передачи первого каскада зависит от соотношения сопротивлений R1 и R2. Так как эти резисторы одинаковы, — коэффициент передачи первого каскада равен единице Коэффициент передачи второго каскада определяется соотношением сопротивлений R4 и R3, и его можно подстраивать резистором R4.

Резисторы R1-R2 вместе с ёмкостями С1 и С2 образуют мост Вина, настроенный на некоторую частоту которая определяется по известной формуле:

F=1/(RC), где R=R1=R2, С=С1=С2.

Чтобы получить неограниченную и неискаженную синусоиду нужно отрегулировать соответствующим образом коэффициент передачи усилителя под строенным резистором R4. В данной схеме, при питании от источника напряжением 9V наилучшая форма синусоиды получается при её действующем значении около 1V.

Этот генератор, хотя и выполнен на логических элементах, является чисто аналоговым, и его выходной продукт не содержит каких-то импульсных составляющих или ступенчатого напряжения, нуждающихся в фильтрации.

На рисунке 2 показана схема цифрового кварцевого синусоидального генератора, вырабатывающего синусоидальное напряжение частотой 976,5625 Гц (при частоте кварцевого резонатора 500 кГц). Здесь синусоидальное напряжение формируется из прямоугольных импульсов с помощью ЦАП на элементах микросхемы D2 и резисторах.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Период состоит из 32-х ступенек. Окончательно выходной сигнал формируется операционным усилителем А1, и включённой на его выходе RC-цепочкой. которая сглаживает ступеньки, образующие синусоиду.

Частота выходной синусоиды будет в 512 раз ниже частоты кварцевого резонатора или входных импульсов, которые, при работе от внешнего источника импульсов, можно подавать на вывод 11 D1. При этом, детали R1, R2, Q1, С1, С2 исключаются

Схема привлекательна тем, что позволяет получить синусоидальный низкочастотный сигнал кварцевой стабильности частоты.

РадиоМатор 2002 №6

Еще одна простенькая схема синусоидального генератора с применением цифровой микросхемы. Несмотря на свой необычный внешний вид, схема вполне надёжна, автор пользуется ею уже около 2 лет.

Основным элементом генератора является микросхема К155ЛАЗ. Кольцевое соединение трёх инверторов DD1.1…DD1.3 представляет собой неустойчивую структуру, склонную к возбуждению на максимальной рабочей частоте. Резистор R1 задаёт рабочую точку микросхемы вблизи порога переключения. Благодаря наличию у ТТЛ-схем «мёртвой зоны» (диапазона напряжений между порогами логического «0» и логической «1») ИМС переходит в активный режим. Контур L1-C1 создаёт условия для возбуждения на собственной резонансной частоте. Добротность контура большого значения не имеет, схема уверенно запускается и с низкодобротными контурами.

Основным элементом генератора является микросхема К155ЛАЗ. Кольцевое соединение трёх инверторов DD1.1…DD1.3 представляет собой неустойчивую структуру, склонную к возбуждению на максимальной рабочей частоте. Резистор R1 задаёт рабочую точку микросхемы вблизи порога переключения. Благодаря наличию у ТТЛ-схем «мёртвой зоны» (диапазона напряжений между порогами логического «0» и логической «1») ИМС переходит в активный режим. Контур L1-C1 создаёт условия для возбуждения на собственной резонансной частоте. Добротность контура большого значения не имеет, схема уверенно запускается и с низкодобротными контурами.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Стабильность частоты зависит исключительно от стабильности контура и достаточно высока. Амплитуда выходного напряжения зависит от добротности контура и может достигать 2,5 В. При максимальной частоте (около 10…15 МГц) амплитуда импульсов раза в 2 меньше, и микросхема начинает греться.

Выходной сигнал можно снимать как с катушки L1, так и с конденсатора С1. Однако лучше снимать его с катушки, в этом случае ёмкость нагрузки (даже весьма значительная) оказывает минимальное влияние на рабочую частоту. Несмотря на это, нагрузку лучше подключать через буфер. Это может быть эмиттерный или истоковый повторитель, буфер на ОУ или катушка связи — все зависит от выходной частоты. Очевидно, что на частоте 1 кГц следует отдать предпочтение ОУ, а на 5 МГц — катушке связи.

Налаживание схемы сводится к подбору рабочей точки ИМС при помощи резистора R1. Для этого к выходу генератора подключают осциллограф и, вращая R1, добиваются появления устойчивой генерации с максимальной амплитудой. R1 лучше взять многооборотный, типа СПЗ-39.

Устройство работоспособно с любыми инверторами ТТЛ- и ТТЛШ-серий. От применения КМОП-микросхем лучше отказаться, т.к. добиться устойчивой генерации на них практически невозможно.

А.УВАРОВ, г.Белгород.

Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний.

RC генераторы синусоидальных колебаний.

RC генераторы используют для задания частоты резисивно — емкостную
связь.
Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это:
генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина.
Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи.
На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Частота генератора рассчитывается по формуле.

R в этой формуле — значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые).Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов
C — это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)

Генератор на основе моста Вина – двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.

Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше.
Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 — примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.

Где C — номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления — R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно — 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний
в больших пределах.

Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью
несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы
различной емкости, в качестве С1, С2 и С3.
Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности — для
настройки различных усилительных каскадов.

Генераторы несинусоидальных колебаний.

Генераторы несинусоидальных колебаний применятся для создания периодических электрических сигналов произвольной формы – прямоугольной, пилообразной или треугольной формы.

Блокинг – генератор.

Пока конденсатор заряжен — транзистор закрыт. Но конденсатор постепенно
разряжается через резистор и запирающее напряжение исчезает.
Транзистор начинает приоткрываться — появляется ток в цепи обмотки трансформатора, соответственно на вторичной обмотке возникает
напряжение способствуещее лавинообразному открыванию транзистора.
Транзистор переходит в режим насыщения — конденсатор заряжается
через переход эмиттер – база, напряжение в вторичной обмотке падает до нуля.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов
Транзистор запирается, после чего процесс повторяется снова и снова.

Очень часто, схему блокинг — генератора используют в различных устройствах, преобразующих
постоянный ток в переменный. Это — различные импульсные блоки питания, вариации
которых встречаются в современной аппаратуре очень широко.
Преобразователи постоянного тока в переменный, с повышением выходного напряжения —
являются основой целого ряда устройств, разной степени полезности — от портативного мегаомметра, до
карманного электрошокера.

Мультивибратор.

Мультивибратор — генератор импульсов формы близкой к прямоугольной.
Его основу составляют два усилительных каскада связанных между
собой так, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого.
Получается, что они по очереди запирают друг друга.
Частота зависит от емкости конденсаторов, и величины сопротивления
резисторов, через которые осуществляется их разряд.

Мультивибратор можно легко собрать, используя широко распостраненные детали,
на абсолютно любых биполярных транзисторах.
Кроме основной частоты рассчитываемой по формуле:

мультивибратор вырабатывает большое количество дополнительных гармоник.
Если применив высокочастотные транзисторы собрать мультивибратор
с основной частотой в звуковой области(лучше около 1000 гц), то частоты высших гармоник оказываются
в какой то степени, промодулированными на этой, основной частоте.
Получается, что подобный генератор может использоваться как универсальный пробник, для
проверки как радиочастотных усилительных трактов, так и каскадов усиления низкой(звуковой)
частоты.

На главную страницу

Синусоидальные осцилляторы — Краткое руководство

Генератор генерирует выходной сигнал без входного сигнала переменного тока. Электронный генератор — это схема, которая преобразует энергию постоянного тока в переменный с очень высокой частотой.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Усилитель с положительной обратной связью можно понимать как генератор.

Усилитель против осциллятора

Усилитель увеличивает мощность входного сигнала, тогда как генератор генерирует сигнал без этого входного сигнала, но для его работы требуется постоянный ток. В этом основное отличие усилителя от генератора.

Посмотрите на следующую иллюстрацию. Это ясно показывает, как усилитель берет энергию от источника постоянного тока и преобразует ее в энергию переменного тока на частоте сигнала. Генератор сам генерирует колебательный сигнал переменного тока.

Частота, форма волны и величина мощности переменного тока, генерируемой усилителем, контролируются напряжением сигнала переменного тока, подаваемым на вход, тогда как для генератора используются компоненты в самой цепи, что означает, что не требуется никакого внешнего управляющего напряжения ,

Генератор против генератора

Генератор переменного тока — это механическое устройство, которое производит синусоидальные волны без какого-либо ввода. Этот генератор переменного тока используется для генерации частот до 1000 Гц. Выходная частота зависит от количества полюсов и скорости вращения якоря.

Следующие пункты подчеркивают различия между генератором и генератором —

  • Генератор преобразует механическую энергию в энергию переменного тока, тогда как генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока.

  • Генератор может выдавать более высокие частоты в несколько МГц, а генератор — нет.

  • Генератор переменного тока имеет вращающиеся части, а электронный генератор — нет.

  • Легко изменить частоту колебаний в генераторе, чем в генераторе.

Генератор преобразует механическую энергию в энергию переменного тока, тогда как генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока.

Генератор может выдавать более высокие частоты в несколько МГц, а генератор — нет.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Генератор переменного тока имеет вращающиеся части, а электронный генератор — нет.

Легко изменить частоту колебаний в генераторе, чем в генераторе.

Генераторы также могут рассматриваться как противоположные выпрямителям, которые преобразуют переменный ток в постоянный, так как они преобразуют постоянный ток в переменное. Подробное описание выпрямителей можно найти в нашем руководстве по электронным схемам .

Классификация осцилляторов

Электронные генераторы подразделяются в основном на следующие две категории:

  • Синусоидальные генераторы. Генераторы, которые создают выходной сигнал синусоидальной формы, называются синусоидальными или гармоническими генераторами . Такие генераторы могут обеспечивать выходной сигнал на частотах от 20 Гц до 1 ГГц.

  • Несинусоидальные осцилляторы . Осцилляторы, которые создают выходной сигнал с квадратной, прямоугольной или пилообразной формой, называются несинусоидальными или релаксационными . Такие генераторы могут обеспечивать выходной сигнал в диапазоне частот от 0 Гц до 20 МГц.

Синусоидальные генераторы. Генераторы, которые создают выходной сигнал синусоидальной формы, называются синусоидальными или гармоническими генераторами . Такие генераторы могут обеспечивать выходной сигнал на частотах от 20 Гц до 1 ГГц.

Несинусоидальные осцилляторы . Осцилляторы, которые создают выходной сигнал с квадратной, прямоугольной или пилообразной формой, называются несинусоидальными или релаксационными . Такие генераторы могут обеспечивать выходной сигнал в диапазоне частот от 0 Гц до 20 МГц.

В этом уроке мы обсудим только синусоидальные осцилляторы. Вы можете узнать функции несинусоидальных генераторов из нашего учебника по импульсным схемам .

Синусоидальные осцилляторы

Синусоидальные генераторы можно классифицировать по следующим категориям —

  • Генераторы с настроенной цепью — эти генераторы используют настроенную цепь, состоящую из катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C), и используются для генерации высокочастотных сигналов.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Таким образом, они также известны как радиочастотные РЧ-генераторы. Такими генераторами являются Хартли, Колпитс, Клапп-генераторы и т. Д.

  • RC-генераторы. В генераторах используются резисторы и конденсаторы, которые используются для генерации низкочастотных или звуковых сигналов. Таким образом, они также известны как осцилляторы звуковой частоты (AF). Такими генераторами являются Фазо-сдвиговые и Вейн-бридж-генераторы.

  • Кристаллические генераторы — эти генераторы используют кварцевые кристаллы и используются для генерации высокостабилизированного выходного сигнала с частотами до 10 МГц. Пьезо-генератор является примером кварцевого генератора.

  • Генератор с отрицательным сопротивлением — эти генераторы используют характеристику с отрицательным сопротивлением таких устройств, как туннельные устройства. Настроенный диодный генератор является примером генератора с отрицательным сопротивлением.

Генераторы с настроенной цепью — эти генераторы используют настроенную цепь, состоящую из катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C), и используются для генерации высокочастотных сигналов. Таким образом, они также известны как радиочастотные РЧ-генераторы. Такими генераторами являются Хартли, Колпитс, Клапп-генераторы и т. Д.

RC-генераторы. В генераторах используются резисторы и конденсаторы, которые используются для генерации низкочастотных или звуковых сигналов. Таким образом, они также известны как осцилляторы звуковой частоты (AF). Такими генераторами являются Фазо-сдвиговые и Вейн-бридж-генераторы.

Кристаллические генераторы — эти генераторы используют кварцевые кристаллы и используются для генерации высокостабилизированного выходного сигнала с частотами до 10 МГц. Пьезо-генератор является примером кварцевого генератора.

Генератор с отрицательным сопротивлением — эти генераторы используют характеристику с отрицательным сопротивлением таких устройств, как туннельные устройства.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Настроенный диодный генератор является примером генератора с отрицательным сопротивлением.

Природа синусоидальных колебаний

Характер колебаний в синусоидальной волне обычно бывает двух типов. Они затухающие и незатухающие колебания .

Затухающие колебания

Электрические колебания, амплитуда которых продолжает уменьшаться со временем, называются затухающими колебаниями . Частота затухающих колебаний может оставаться постоянной в зависимости от параметров цепи.

Затухающие колебания обычно создаются колебательными контурами, которые производят потери мощности и не компенсируют при необходимости.

Непогруженные колебания

Электрические колебания, амплитуда которых остается постоянной во времени, называются незатухающими колебаниями . Частота незатухающих колебаний остается постоянной.

Незатухающие колебания обычно генерируются колебательными контурами, которые не производят потерь мощности и следуют методам компенсации, если возникают какие-либо потери мощности.

Усилитель с положительной обратной связью вырабатывает свой выход в фазе с входом и увеличивает силу сигнала. Положительный отзыв также называется дегенеративным отзывом или прямым отзывом . Этот вид обратной связи делает усилитель обратной связи, генератор.

Использование положительной обратной связи приводит к тому, что усилитель обратной связи имеет усиление с обратной связью больше, чем усиление с обратной связью. Это приводит к нестабильности и работает как колебательный контур. Колебательный контур обеспечивает постоянно изменяющийся усиленный выходной сигнал любой желаемой частоты.

Колебательный круг

Колебательный контур производит электрические колебания желаемой частоты. Они также известны как цепи резервуаров .

Простая схема резервуара состоит из индуктора L и конденсатора C, каждый из которых вместе определяет частоту колебаний схемы.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Чтобы понять концепцию колебательного контура, рассмотрим следующую схему. Конденсатор в этой цепи уже заряжается от источника постоянного тока. В этой ситуации верхняя пластина конденсатора имеет избыток электронов, тогда как нижняя пластина имеет дефицит электронов. Конденсатор содержит некоторую электростатическую энергию, и на конденсаторе имеется напряжение.

Когда переключатель S замкнут, конденсатор разряжается, и ток течет через индуктор. Из-за индуктивного эффекта ток медленно нарастает до максимального значения. Как только конденсатор разряжается полностью, магнитное поле вокруг катушки становится максимальным.

Теперь давайте перейдем к следующему этапу. Как только конденсатор полностью разряжен, магнитное поле начинает разрушаться и создает противо-ЭДС в соответствии с законом Ленца. Конденсатор теперь заряжается положительным зарядом на верхней пластине и отрицательным зарядом на нижней пластине.

Как только конденсатор полностью заряжен, он начинает разряжаться, создавая магнитное поле вокруг катушки, как показано на следующей принципиальной схеме.

Это продолжение зарядки и разрядки приводит к переменному движению электронов или колебательному току . Обмен энергией между L и C вызывает непрерывные колебания .

В идеальной цепи, где нет потерь, колебания будут продолжаться бесконечно. В практической схеме резервуара возникают такие потери, как резистивные и радиационные потери в катушке и диэлектрические потери в конденсаторе. Эти потери приводят к затухающим колебаниям.

Частота колебаний

Частота колебаний, создаваемых контуром бака, определяется компонентами контура бака, L и C. Фактическая частота колебаний — это резонансная частота (или собственная частота) контура резервуара, которая определяется как

fr= frac12 pi sqrtLC

Емкость конденсатора

Частота колебаний f o обратно пропорциональна корню квадратному из емкости конденсатора.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Таким образом, если значение используемого конденсатора велико, периоды зарядки и разрядки будут большими. Следовательно, частота будет ниже.

Математически, частота,

fo propto1 sqrtC

Самоиндуктивность катушки

Частота колебаний f o пропорциональна квадратному корню из самоиндуктивности катушки. Если значение индуктивности велико, противодействие изменению тока больше, и, следовательно, время, необходимое для завершения каждого цикла, будет больше, что означает, что период времени будет больше, а частота будет ниже.

Математически, частота,

fo propto1 sqrtL

Объединяя оба приведенных выше уравнения,

fo propto frac1 sqrtLC

fo= frac12 pi sqrtLC

Приведенное выше уравнение, хотя и указывает выходную частоту, соответствует собственной частоте или резонансной частоте контура резервуара.

Цепь генератора представляет собой полный набор всех частей цепи, который помогает генерировать колебания. Эти колебания должны выдерживать и должны быть ослаблены, как только что обсуждалось ранее. Давайте попробуем проанализировать практическую схему генератора, чтобы лучше понять, как работает схема генератора.

Практическая схема генератора

Схема Практического генератора состоит из цепной цепи, транзисторного усилителя и цепи обратной связи. Следующая принципиальная схема показывает расположение практического генератора.

Давайте теперь обсудим части этой практической схемы генератора.

  • Цепь резервуара — Цепь резервуара состоит из индуктивности L, соединенной параллельно с конденсатором C. Значения этих двух компонентов определяют частоту схемы генератора, и, следовательно, это называется схемой определения частоты .

  • Транзисторный усилитель — Выход цепи резервуара соединен с цепью усилителя, так что колебания, производимые цепью резервуара, здесь усиливаются.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Следовательно, выход этих колебаний усиливается усилителем.

  • Цепь обратной связи — Функция цепи обратной связи заключается в передаче части выходной энергии в цепь LC в правильной фазе. Эта обратная связь положительна в генераторах, а отрицательная в усилителях.

Цепь резервуара — Цепь резервуара состоит из индуктивности L, соединенной параллельно с конденсатором C. Значения этих двух компонентов определяют частоту схемы генератора, и, следовательно, это называется схемой определения частоты .

Транзисторный усилитель — Выход цепи резервуара соединен с цепью усилителя, так что колебания, производимые цепью резервуара, здесь усиливаются. Следовательно, выход этих колебаний усиливается усилителем.

Цепь обратной связи — Функция цепи обратной связи заключается в передаче части выходной энергии в цепь LC в правильной фазе. Эта обратная связь положительна в генераторах, а отрицательная в усилителях.

Стабильность частоты генератора

Стабильность частоты генератора является мерой его способности поддерживать постоянную частоту в течение длительного промежутка времени. При работе в течение более длительного периода времени частота генератора может иметь отклонение от ранее установленного значения либо путем увеличения, либо уменьшения.

Изменение частоты генератора может возникнуть из-за следующих факторов —

  • Рабочая точка используемого активного устройства, такого как BJT или FET, должна находиться в линейной области усилителя. Его отклонение повлияет на частоту генератора.

  • Температурная зависимость характеристик компонентов схемы влияет на частоту генератора.

  • Изменения напряжения питания постоянного тока, подаваемые на активное устройство, сдвигают частоту генератора. Этого можно избежать, если использовать регулируемый источник питания.

  • Изменение выходной нагрузки может привести к изменению добротности контура бака, что приведет к изменению выходной частоты генератора.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

  • Наличие межэлементных емкостей и паразитных емкостей влияет на выходную частоту генератора и, следовательно, на стабильность частоты.

Рабочая точка используемого активного устройства, такого как BJT или FET, должна находиться в линейной области усилителя. Его отклонение повлияет на частоту генератора.

Температурная зависимость характеристик компонентов схемы влияет на частоту генератора.

Изменения напряжения питания постоянного тока, подаваемые на активное устройство, сдвигают частоту генератора. Этого можно избежать, если использовать регулируемый источник питания.

Изменение выходной нагрузки может привести к изменению добротности контура бака, что приведет к изменению выходной частоты генератора.

Наличие межэлементных емкостей и паразитных емкостей влияет на выходную частоту генератора и, следовательно, на стабильность частоты.

Критерий Баркгаузена

Обладая знаниями, которые у нас есть до сих пор, мы поняли, что практическая схема генератора состоит из цепи бака, схемы усилителя транзистора и цепи обратной связи. Итак, давайте теперь попытаемся освежить концепцию усилителей обратной связи, чтобы получить усиление усилителей обратной связи.

Принцип обратной связи усилителя

Усилитель обратной связи обычно состоит из двух частей. Это усилитель и цепь обратной связи . Схема обратной связи обычно состоит из резисторов. Концепция усилителя обратной связи может быть понята из следующего рисунка ниже.

На приведенном выше рисунке коэффициент усиления усилителя представлен как A. Коэффициент усиления усилителя представляет собой отношение выходного напряжения Vo к входному напряжению V i . Сеть обратной связи извлекает напряжение V f = β V o из выхода V o усилителя.

Это напряжение складывается для положительной обратной связи и вычитается для отрицательной обратной связи из напряжения сигнала V s .Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Итак, для положительного отзыва,

V i = V s + V f = V s + β V o

Величина β = V f / V o называется коэффициентом обратной связи или долей обратной связи.

Выходное напряжение V o должно быть равно входному напряжению (V s + βV o ), умноженному на коэффициент усиления A усилителя.

Следовательно,

(Vs+ betaVo)A=Vo

Или же

AVs+A betaVo=Vo

Или же

AVs=Vo(1−A beta)

Следовательно

 fracVoVs= fracA1−A beta

Пусть A f будет общим усилением (усилением с обратной связью) усилителя. Это определяется как отношение выходного напряжения V o к приложенному сигнальному напряжению V s , т.е.

Af= fracВыходНапряжениеВходСигналНапряжение= fracVoVs

Из приведенных выше двух уравнений мы можем понять, что уравнение усиления усилителя обратной связи с положительной обратной связью определяется выражением

Af= fracA1−A beta

Где коэффициент обратной связи или усиление контура .

Если Aβ = 1, A f = ∞. Таким образом, усиление становится бесконечным, т. Е. Есть выход без какого-либо ввода. Другими словами, усилитель работает как генератор.

Условие Aβ = 1 называется критерием Баркгаузена колебаний . Это очень важный фактор, который нужно всегда учитывать в концепции осцилляторов.

Настраиваемые генераторы — это схемы, которые генерируют колебания с помощью настройки цепей. Цепи настройки состоят из индуктивности L и конденсатора C. Они также известны как генераторы LC, генераторы резонансного контура или генераторы контура бака .

Отрегулированные генераторы схемы используются для получения выходного сигнала с частотами в диапазоне от 1 МГц до 500 МГц. Следовательно, они также известны как РЧ-генераторы .Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов BJT или FET используется в качестве усилителя с настроенными схемными генераторами. С помощью усилителя и цепи LC-бака мы можем передавать сигнал с правильной амплитудой и фазой для поддержания колебаний.

Типы настроенных цепных генераторов

Большинство генераторов, используемых в радиопередатчиках и приемниках, относятся к типу генераторов LC. В зависимости от того, как используется обратная связь в цепи, генераторы LC делятся на следующие типы.

  • Настроенный коллектор или генератор Armstrong — используется индуктивная обратная связь от коллектора транзистора к базе. Схема LC находится в цепи коллектора транзистора.

  • Настроенный базовый генератор — использует индуктивную обратную связь. Но схема LC находится в базовой цепи.

  • Осциллятор Хартли — использует индуктивную обратную связь.

  • Colpitts Oscillator — использует емкостную обратную связь.

  • Осциллятор Clapp — использует емкостную обратную связь.

Настроенный коллектор или генератор Armstrong — используется индуктивная обратная связь от коллектора транзистора к базе. Схема LC находится в цепи коллектора транзистора.

Настроенный базовый генератор — использует индуктивную обратную связь. Но схема LC находится в базовой цепи.

Осциллятор Хартли — использует индуктивную обратную связь.

Colpitts Oscillator — использует емкостную обратную связь.

Осциллятор Clapp — использует емкостную обратную связь.

Теперь мы подробно обсудим все вышеупомянутые LC-генераторы.

Настроенный Коллектор Осциллятор

Настроенные коллекторные осцилляторы называются так, потому что настраиваемая схема размещена в коллекторе транзисторного усилителя. Комбинация L и C образует настроенную схему или схему определения частоты.

строительство

Резисторы R 1 , R 2 и R E используются для обеспечения постоянного смещения транзистора.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Конденсаторы C E и C являются обходными конденсаторами. Вторичная обмотка трансформатора обеспечивает напряжение обратной связи переменного тока, которое появляется на стыке базового эмиттера R 1, а R 2 находится на заземлении переменного тока из-за обводного конденсатора C. В случае, если конденсатор отсутствовал, часть напряжения, индуцированного в вторичная обмотка трансформатора будет падать через R 2 вместо того, чтобы полностью идти на вход транзистора.

Так как транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o, трансформатор обеспечивает еще один сдвиг фазы на 180 o , который обеспечивает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями. Следующая принципиальная схема показывает расположение настроенной схемы коллектора.

операция

После подачи питания ток коллектора начинает увеличиваться, и происходит зарядка конденсатора C. Когда конденсатор полностью заряжен, он разряжается через индуктивность L 1 . Теперь колебания производятся. Эти колебания вызывают некоторое напряжение во вторичной обмотке L 2 . Частота напряжения, наведенного во вторичной обмотке, такая же, как и в цепи бака, и его величина зависит от числа витков во вторичной обмотке и связи между обеими обмотками.

Напряжение на L 2 прикладывается между базой и эмиттером и появляется в усиленном виде в цепи коллектора, тем самым преодолевая потери в цепи бака. Число оборотов L 2 и связи между L 1 и L 2 отрегулированы так, что колебания поперек L 2 усиливаются до уровня, достаточного только для обеспечения потерь в контуре резервуара.

Настроенные коллекторные генераторы широко используются в качестве локального генератора в радиоприемниках.

Настроенный базовый генератор

Настроенные базовые генераторы называются так, потому что настроенная схема размещена в базе транзисторного усилителя.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Комбинация L и C образует настроенную схему или схему определения частоты.

строительство

Резисторы R 1 , R 2 и R E используются для обеспечения постоянного смещения транзистора. Параллельная комбинация R e и C e в цепи эмиттера является стабилизирующей схемой. C C — блокирующий конденсатор. Конденсаторы C E и C являются обходными конденсаторами. Первичная обмотка L и вторичная обмотка L1 РЧ трансформатора обеспечивают необходимую обратную связь с коллекторной и базовой цепями.

Так как транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o, трансформатор обеспечивает еще один сдвиг фазы на 180 o , который обеспечивает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями. Следующая принципиальная схема показывает расположение настроенного базового генератора.

операция

Когда цепь включена, ток коллектора начинает расти. Когда коллектор соединен с катушкой L 1 , этот ток создает вокруг нее некоторое магнитное поле. Это вызывает напряжение в настроенной цепи катушки L. Напряжение обратной связи вызывает увеличение напряжения на базе эмиттера и тока базы. Таким образом достигается дальнейшее увеличение тока коллектора, и цикл продолжается до тех пор, пока ток коллектора не станет насыщенным. Между тем, конденсатор полностью заряжен.

Когда ток коллектора достигает уровня насыщения, в L. отсутствует напряжение обратной связи. Когда конденсатор полностью заряжен, он начинает разряжаться через L. Это уменьшает смещение базы эмиттера и, следовательно, I B, и ток коллектора также уменьшается. К тому времени, когда ток коллектора достигает предела, конденсатор С полностью заряжается с противоположной полярностью. Когда транзистор отключается, конденсатор C начинает разряжаться через L. Это увеличивает смещение базы эмиттера. В результате ток коллектора увеличивается.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Цикл повторяется до тех пор, пока подается достаточно энергии для удовлетворения потерь в цепи LC. Частота колебаний равна резонансной частоте LC-контура.

недостаток

Основным недостатком схемы генератора с настраиваемой базой является то, что из-за низкого сопротивления базы-эмиттера, которое появляется в шунте с настроенной схемой, цепь бака нагружается. Это уменьшает его Q, что, в свою очередь, вызывает дрейф частоты генератора. Таким образом, стабильность становится беднее. По этой причине настроенная схема обычно не подключена к базовой цепи.

Очень популярной схемой местного генератора , которая в основном используется в радиоприемниках, является схема генератора Хартли . Конструктивные детали и работа генератора Хартли описаны ниже.

строительство

На принципиальной схеме генератора Хартли, показанной ниже, резисторы R 1 , R 2 и R e обеспечивают необходимое условие смещения для цепи. Конденсатор C e обеспечивает заземление переменного тока, тем самым обеспечивая любое вырождение сигнала. Это также обеспечивает стабилизацию температуры.

Конденсаторы C c и C b используются для блокировки постоянного тока и для обеспечения пути переменного тока. Радиочастотный дроссель (RFC) обеспечивает очень высокий импеданс для высокочастотных токов, что означает, что он замыкается на постоянный ток и размыкается на переменный ток. Следовательно, он обеспечивает постоянную нагрузку для коллектора и удерживает переменные токи от источника постоянного тока.

Танковая цепь

Сеть, определяющая частоту, представляет собой параллельный резонансный контур, который состоит из индукторов L 1 и L 2 вместе с переменным конденсатором C. Соединение L 1 и L 2 заземлено. Катушка L 1 имеет один конец, соединенный с основанием через C c, а другой — с эмиттером через C e .Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Итак, L 2 находится в выходной цепи. Обе катушки L 1 и L 2 индуктивно связаны и вместе образуют автотрансформатор .

Следующая принципиальная схема показывает расположение генератора Хартли. Цепь резервуара шунтируется в этой цепи. Это также может быть последовательным питанием .

операция

Когда подается питание коллектора, в колебательном контуре или контуре бака возникает переходный ток. Колебательный ток в цепи бака создает переменное напряжение через L 1 .

Автотрансформатор, созданный индуктивной связью L 1 и L 2, помогает в определении частоты и устанавливает обратную связь. Так как транзистор с конфигурацией CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o, трансформатор обеспечивает еще один сдвиг фазы на 180 o , который обеспечивает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями.

Это делает обратную связь положительной, что существенно для состояния колебаний. Когда усиление петли | βA | усилителя больше единицы , колебания поддерживаются в цепи.

частота

Уравнение для частоты генератора Хартли дается в виде

f= frac12 pi sqrtLTC

LT=L1+L2+2M

Здесь L T — общая кумулятивно связанная индуктивность; L 1 и L 2 представляют индуктивности 1- й и 2- й катушек; и М представляет взаимную индуктивность.

Взаимная индуктивность рассчитывается с учетом двух обмоток.

преимущества

Преимущества осциллятора Hartley:

  • Вместо использования большого трансформатора в качестве автотрансформатора можно использовать одну катушку.

  • Частоту можно варьировать, используя переменный конденсатор или переменный индуктор.

  • Достаточно меньшее количество компонентов.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

  • Амплитуда выходного сигнала остается постоянной в фиксированном диапазоне частот.

Вместо использования большого трансформатора в качестве автотрансформатора можно использовать одну катушку.

Частоту можно варьировать, используя переменный конденсатор или переменный индуктор.

Достаточно меньшее количество компонентов.

Амплитуда выходного сигнала остается постоянной в фиксированном диапазоне частот.

Недостатки

Недостатками осциллятора Хартли являются

  • Это не может быть генератор низкой частоты.
  • Гармонические искажения присутствуют.

Приложения

Приложения генератора Хартли являются

  • Он используется для создания синусоиды желаемой частоты.
  • В основном используется в качестве местного генератора в радиоприемниках.
  • Он также используется в качестве РЧ-генератора.

Генератор Колпитса выглядит так же, как генератор Хартли, но катушки индуктивности и конденсаторы заменены друг на друга в цепи бака. Конструктивные детали и работа генератора Колпитца описаны ниже.

строительство

Давайте сначала взглянем на принципиальную схему генератора Колпитса.

Резисторы R 1 , R 2 и R e обеспечивают необходимое условие смещения для цепи. Конденсатор C e обеспечивает заземление переменного тока, тем самым обеспечивая любое вырождение сигнала. Это также обеспечивает стабилизацию температуры.

Конденсаторы C c и C b используются для блокировки постоянного тока и для обеспечения пути переменного тока. Радиочастотный дроссель (RFC) обеспечивает очень высокий импеданс для высокочастотных токов, что означает, что он замыкается на постоянный ток и размыкается на переменный ток. Следовательно, он обеспечивает постоянную нагрузку для коллектора и удерживает переменные токи от источника постоянного тока.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Танковая цепь

Сеть, определяющая частоту, представляет собой параллельный резонансный контур, который состоит из переменных конденсаторов C 1 и C 2 вместе с индуктором L. Соединение C 1 и C 2 заземлено. Конденсатор C 1 имеет один конец, соединенный с базой через C c, а другой — с эмиттером через C e . напряжение, развиваемое через C 1, обеспечивает регенеративную обратную связь, необходимую для устойчивых колебаний.

операция

Когда подается питание коллектора, в колебательном контуре или контуре бака возникает переходный ток. Колебательный ток в цепи бака создает переменное напряжение на C 1, которое подается на соединение базового эмиттера и появляется в усиленном виде в цепи коллектора и приводит к потерям в цепи бака.

Если клемма 1 имеет положительный потенциал относительно клеммы 3 в любой момент, тогда клемма 2 будет иметь отрицательный потенциал относительно 3 в этот момент, потому что клемма 3 заземлена. Следовательно, точки 1 и 2 смещены по фазе на 180 o .

Поскольку транзистор, настроенный CE, обеспечивает сдвиг фазы на 180 o , он делает сдвиг фазы на 360 o между входным и выходным напряжениями. Следовательно, обратная связь должным образом фазируется для получения непрерывных незатухающих колебаний. Когда усиление петли | βA | усилителя больше единицы, колебания поддерживаются в цепи.

частота

Уравнение для частоты генератора Колпитца имеет вид

f= frac12 pi sqrtLCT

C T — общая емкость C 1 и C 2, соединенных последовательно.

 frac1CT= frac1C1+ frac1C2

CT= fracC1 timesC2C1+C2

преимущества

Преимущества генератора Колпитса заключаются в следующем —

  • Генератор Колпитца может генерировать синусоидальные сигналы очень высоких частот.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов
  • Он может выдерживать высокие и низкие температуры.
  • Стабильность частоты высокая.
  • Частота может быть изменена с помощью обоих переменных конденсаторов.
  • Достаточно меньшее количество компонентов.
  • Амплитуда выходного сигнала остается постоянной в фиксированном диапазоне частот.

Генератор Колпитса предназначен для устранения недостатков генератора Хартли и, как известно, не имеет особых недостатков. Следовательно, существует много применений генератора Колпитца.

Приложения

Применения генератора Колпитса заключаются в следующем —

  • Генератор Колпитца может использоваться как высокочастотный синусоидальный генератор.
  • Это может быть использовано в качестве датчика температуры с некоторыми связанными схемами.
  • В основном используется в качестве местного генератора в радиоприемниках.
  • Он также используется в качестве РЧ-генератора.
  • Он также используется в мобильных приложениях.
  • У него есть много других коммерческих приложений.

Другой генератор, который является усовершенствованной версией генератора Колпитса, является генератором Клэппа . Эта схема разработана путем внесения нескольких изменений в генератор Колпитса.

Схема отличается от генератора Колпитса только в одном отношении; он содержит один дополнительный конденсатор (C 3 ), соединенный последовательно с индуктором. Добавление конденсатора (C 3 ) улучшает стабильность частоты и устраняет влияние параметров транзистора и паразитных емкостей.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзистора с генератором Clapp .

Работа генератора осциллятора Клэппа происходит так же, как и работы генератора Колпитса. Частота генератора задается соотношением,

fo= frac12 pi sqrtLC

куда

C= frac1 frac1C1+ frac1C2+ frac1C3

Обычно значение C 3 намного меньше, чем C 1 и C 2 .Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов В результате этого C приблизительно равен C 3 . Следовательно, частота колебаний,

fo= frac12 pi sqrtL.C3

Понятно, что генератор Клэппа аналогичен генератору Колпитса, однако они отличаются способом расположения индуктивностей и емкостей. Хотя стабильность частоты хорошая, она может быть переменной в генераторе Клаппа.

Генератор Клэппа иногда предпочтительнее генератора Колпитса для создания генератора с переменной частотой. Генераторы Clapp используются в цепях настройки приемника в качестве генератора частоты.

Одна из важных особенностей генератора заключается в том, что приложенная энергия обратной связи должна быть в правильной фазе к контуру резервуара. В обсуждаемых схемах генераторов использовалась комбинация индуктивности (L) и конденсатора (C) в цепи бака или в схеме определения частоты.

Мы наблюдали, что комбинация LC в генераторах обеспечивает сдвиг фазы на 180 o, а транзистор в конфигурации CE обеспечивает сдвиг фазы на 180 o, что в сумме дает сдвиг фазы на 360 o , что приводит к нулевой разности фаз.

Недостатки LC-цепей

Хотя у них мало приложений, у LC- контуров есть несколько недостатков, таких как

  • Нестабильность частоты
  • Форма волны плохая
  • Не может использоваться для низких частот
  • Индукторы громоздкие и дорогие

У нас есть другой тип осцилляторных цепей, которые изготавливаются путем замены индукторов резисторами. Тем самым улучшается стабильность частоты и получается форма сигнала хорошего качества. Эти генераторы также могут создавать более низкие частоты. Кроме того, схема не становится ни громоздкой, ни дорогой.

Таким образом, все недостатки цепей генератора LC устраняются в цепях генератора RC . Отсюда возникает необходимость в цепях RC генератора. Они также называются осцилляторами с фазовым сдвигом .

Принцип фазосдвигателей

Мы знаем, что выходное напряжение RC-цепи для синусоидального входа опережает входное напряжение.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Фазовый угол, по которому он ведет, определяется значением RC-компонентов, используемых в цепи. Следующая принципиальная схема показывает один участок сети RC.

Выходное напряжение V 1 ‘на резисторе R опускает входное напряжение, подаваемое на вход V 1, на некоторый фазовый угол ɸ o . Если R уменьшится до нуля, V 1 ‘приведет V 1 к 90 o, т. Е. ɸ o = 90 o .

Однако регулировка R до нуля была бы неосуществимой, потому что это привело бы к отсутствию напряжения на R. Поэтому на практике R изменяется до такого значения, которое заставляет V 1 ′ вести V 1 на 60 o . Следующая принципиальная схема показывает три секции сети RC.

Каждая секция производит сдвиг фазы 60 o . Следовательно, общий фазовый сдвиг составляет 180 o , то есть напряжение V 2 опережает напряжение V 1 на 180 o .

Цепь осциллятора с фазовым сдвигом

Цепь генератора, которая производит синусоидальную волну с использованием сети с фазовым сдвигом, называется схемой генератора с фазовым сдвигом. Конструктивные детали и работа схемы генератора фазового сдвига приведены ниже.

строительство

Схема генератора с фазовым сдвигом состоит из секции усилителя с одним транзистором и RC-сети с фазовым сдвигом. Сеть фазового сдвига в этой цепи состоит из трех RC-секций. На резонансной частоте f o фазовый сдвиг в каждой секции RC составляет 60 o, поэтому суммарный фазовый сдвиг, создаваемый сетью RC, составляет 180 o .

Следующая принципиальная схема показывает расположение RC-генератора с фазовым сдвигом.

Частота колебаний определяется как

fo= frac12 piRC sqrt6

куда

R1=R2=R3=R

C1=C2=C3=C

операция

При включении цепь колеблется с резонансной частотой f o .Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Выход E o усилителя подается обратно в сеть обратной связи RC. Эта сеть производит сдвиг фазы на 180 o, и на ее выходе появляется напряжение E i . Это напряжение подается на транзисторный усилитель.

Обратная связь будет

m=Ei/Eo

Обратная связь находится в правильной фазе, в то время как транзисторный усилитель, который находится в конфигурации CE, производит фазовый сдвиг на 180 o . Сдвиг фазы, создаваемый сетью и транзистором, складывается, образуя сдвиг фазы вокруг всей петли, который составляет 360 o .

преимущества

Преимущества RC фазового генератора следующие:

  • Не требует трансформаторов или индукторов.
  • Может использоваться для получения очень низких частот.
  • Схема обеспечивает хорошую стабильность частоты.

Недостатки

Недостатками RC-генератора с фазовым сдвигом являются:

  • Запустить колебания сложно, так как обратная связь мала.
  • Выход продукции небольшой.

Другой тип популярного генератора звуковых частот — это мостовая схема Вена. Это в основном используется из-за его важных особенностей. Эта цепь свободна от колебаний цепи и температуры окружающей среды .

Основным преимуществом этого генератора является то, что частота может варьироваться в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц, тогда как в RC генераторах частота не изменяется.

строительство

Конструкция схемы мостового генератора Вина может быть объяснена следующим образом. Это двухступенчатый усилитель с RC мостовой схемой. Мостовая цепь имеет плечи R 1 C 1 , R 3 , R 2 C 2 и вольфрамовую лампу L p . Сопротивление R 3 и лампа L p используются для стабилизации амплитуды выходного сигнала.

Следующая принципиальная схема показывает расположение мостового генератора Вина.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

Транзистор T 1 служит в качестве генератора и усилителя, а другой транзистор T 2 служит в качестве инвертора. Работа инвертора обеспечивает сдвиг фазы на 180 o . Эта схема обеспечивает положительную обратную связь через R 1, C 1 , C 2 R 2 на транзистор T 1 и отрицательную обратную связь через делитель напряжения на вход транзистора T 2 .

Частота колебаний определяется последовательным элементом R 1 C 1 и параллельным элементом R 2 C 2 моста.

f= frac12 pi sqrtR1C1R2C2

Если R 1 = R 2 и C 1 = C 2 = C

Затем,

f= frac12 piRC

Теперь мы можем упростить вышеуказанную схему следующим образом:

Генератор состоит из двух ступеней RC-усилителя и сети обратной связи. Напряжение на параллельной комбинации R и C подается на вход усилителя 1. Чистый фазовый сдвиг через два усилителя равен нулю.

Обычная идея подключения выхода усилителя 2 к усилителю 1 для обеспечения регенерации сигнала для генератора здесь не применима, поскольку усилитель 1 будет усиливать сигналы в широком диапазоне частот, и, следовательно, прямое соединение приведет к плохой стабильности частоты. При добавлении сети обратной связи моста Wien генератор становится чувствительным к определенной частоте и, следовательно, достигается стабильность частоты.

операция

Когда цепь включена, мостовая цепь генерирует колебания частоты, указанной выше. Два транзистора производят полный фазовый сдвиг 360 o, так что обеспечивается надлежащая положительная обратная связь. Отрицательная обратная связь в цепи обеспечивает постоянный выход. Это достигается с помощью термочувствительной вольфрамовой лампы L p . Его сопротивление увеличивается с током.

Если амплитуда выходного сигнала увеличивается, вырабатывается больше тока и достигается более отрицательная обратная связь.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Из-за этого вывод вернется к исходному значению. Принимая во внимание, что, если выход имеет тенденцию уменьшаться, обратное действие имело бы место.

преимущества

Преимущества мостового осциллятора Wien следующие:

  • Схема обеспечивает хорошую стабильность частоты.

  • Это обеспечивает постоянный выход.

  • Работа схемы довольно проста.

  • Общий коэффициент усиления высок благодаря двум транзисторам.

  • Частота колебаний может быть легко изменена.

  • Стабильность амплитуды выходного напряжения можно поддерживать более точно, заменив R 2 термистором.

Схема обеспечивает хорошую стабильность частоты.

Это обеспечивает постоянный выход.

Работа схемы довольно проста.

Общий коэффициент усиления высок благодаря двум транзисторам.

Частота колебаний может быть легко изменена.

Стабильность амплитуды выходного напряжения можно поддерживать более точно, заменив R 2 термистором.

Недостатки

Недостатки мостового осциллятора Wien заключаются в следующем —

  • Схема не может генерировать очень высокие частоты.

  • Для построения схемы требуются два транзистора и количество компонентов.

Схема не может генерировать очень высокие частоты.

Для построения схемы требуются два транзистора и количество компонентов.

Всякий раз, когда генератор работает непрерывно, это влияет на его стабильность частоты . Там происходят изменения в его частоте. Основными факторами, которые влияют на частоту генератора, являются

  • Варианты питания
  • Изменения температуры
  • Изменения нагрузки или выходного сопротивления

В генераторах RC и LC значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, на частоту влияют.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Чтобы избежать этой проблемы, пьезоэлектрические кристаллы используются в генераторах.

Использование пьезоэлектрических кристаллов в параллельных резонансных контурах обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие генераторы называются Кристаллическими Осцилляторами .

Кварцевые генераторы

Принцип работы кварцевых генераторов зависит от пьезоэлектрического эффекта . Естественная форма кристалла шестиугольная. Когда кристаллическая пластина изогнута перпендикулярно оси X, она называется X-разрезом, а когда она разрезается вдоль оси Y, она называется Y-разрезом.

Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, обладает свойством, называемым пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте разберемся с пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что когда механическое напряжение прикладывается к одной из граней кристалла, разность потенциалов развивается на противоположных гранях кристалла. И наоборот, когда разность потенциалов прикладывается к одной из граней, вдоль других граней создается механическое напряжение. Это известно как пьезоэлектрический эффект .

Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, обладают пьезоэлектрическим эффектом, и такие материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами . Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, потому что он недорог и легко доступен в природе.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается воздействию переменного потенциала, он вибрирует механически. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.

Работа кварцевого кристалла

Чтобы заставить кристалл работать в электронной схеме, кристалл помещают между двумя металлическими пластинами в форме конденсатора. Кварц является наиболее часто используемым типом кристаллов из-за его доступности и сильной природы, будучи недорогим.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.

Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже —

Если подается переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако, если частота приложенного напряжения сделана равной собственной частоте кристалла, возникает резонанс, и колебания кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота почти постоянна.

Эквивалентная схема кристалла

Если мы попытаемся представить кристалл эквивалентной электрической цепью, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. Цифры ниже представляют символ и электрическую эквивалентную схему кристалла соответственно.

Вышеупомянутая эквивалентная схема состоит из последовательной RLC-схемы, параллельной емкости C m . Когда кристалл, установленный на источнике переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная схема RLC.

Частотный отклик

Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X L или X C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близко расположенные резонансные частоты.

Первая — это последовательная резонансная частота (f s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае полное сопротивление эквивалентной цепи равно сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,

f= frac12 pi sqrtLC

Вторая — это параллельная резонансная частота (f p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокое сопротивление внешней цепи, и частота колебаний определяется соотношением.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов

fp= frac12 pi sqrtL.CT

куда

CT= fracCCm(C+Cm)

Значение C m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C T приблизительно равно C, и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (то есть f s = f p ).

Схема кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, такими как кварцевый генератор, управляемый кристаллом, кварцевый генератор Колпитса, кварцевый генератор Клэпа и т. Д. Но транзисторный кварцевый генератор с пирсингом является наиболее часто используемым. Это схема, которая обычно называется схемой кварцевого генератора.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзисторного кварцевого генератора.

В этой схеме кристалл соединен как последовательный элемент на пути обратной связи от коллектора к основанию. Резисторы R 1 , R 2 и R E обеспечивают цепь стабилизированного постоянного напряжения делителя напряжения. Конденсатор C E обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора, а RFC (радиочастотный дроссель) катушка обеспечивает смещение постоянного тока, в то же время отделяя любой сигнал переменного тока на линиях электропередачи от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи С имеет незначительное полное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.

Частота колебаний схемы задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением,

fo= frac12 pi sqrtLC

Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая поддерживается кристаллом стабильно.

преимущества

Преимущества кварцевого генератора следующие:

  • Они имеют высокий порядок стабильности частоты.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов
  • Коэффициент качества (Q) кристалла очень высок.

Недостатки

Недостатками кварцевого генератора являются:

  • Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
  • Частота колебаний не может быть существенно изменена.

Стабильность частоты генератора

Ожидается, что генератор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного периода времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный выход для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет о генераторах, будь то синусоидальные или несинусоидальные.

Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать необходимую частоту постоянной в течение длительного интервала времени, насколько это возможно. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.

Изменение в рабочей точке

Мы уже познакомились с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), имеет большее значение.

Работа используемого активного устройства регулируется так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка сдвигается из-за колебаний температуры, и, следовательно, это влияет на стабильность.

Изменение температуры

Цепь бака в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры на их значения влияют. Это приводит к изменению частоты контура генератора.

Из-за питания

Изменения в подаваемой мощности также влияют на частоту. Изменения источника питания приводят к изменениям в V cc . Это повлияет на частоту производимых колебаний.

Во избежание этого внедрена система регулируемого энергоснабжения.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого электропитания были четко обсуждены в разделе электропитания учебного пособия по электронным схемам.

Изменение выходной нагрузки

Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. Когда нагрузка подключена, эффективное сопротивление цепи бака изменяется. В результате добротность LC настроенной схемы изменяется. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.

Изменения в межэлементных емкостях

Межэлементные емкости — это емкости, которые развиваются в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они разработаны из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.

Межэлементные конденсаторы претерпевают изменения по различным причинам, таким как температура, напряжение и т. Д. Эта проблема может быть решена путем подключения затухающего конденсатора через неисправный межэлементный конденсатор.

Значение Q

Значение Q (добротность) должно быть высоким в генераторах. Значение Q в настроенных генераторах определяет селективность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной цепи, значение Q должно поддерживаться на высоком уровне.

Стабильность частоты может быть математически представлена ​​как

Sw=d theta/dw

Где dθ — сдвиг фазы, введенный для небольшого изменения частоты номинальной частоты f r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.

Осциллятор, который работает с отрицательным сопротивлением, можно назвать осциллятором отрицательного сопротивления. Термин « отрицательное сопротивление» относится к состоянию, при котором увеличение напряжения в двух точках вызывает уменьшение тока. Некоторые из нелинейных устройств проявляют свойство отрицательного сопротивления при определенных условиях.

Свойство отрицательного сопротивления

Давайте рассмотрим поведение, когда напряжение приложено к нелинейному устройству, которое проявляет свойство отрицательного сопротивления.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Чтобы понять это свойство, давайте посмотрим на график ниже, чтобы узнать изменения напряжения и тока.

Когда прямое напряжение увеличивается, ток быстро увеличивается, и он увеличивается до пиковой точки, называемой пиковым током, обозначенной I P. Напряжение в этой точке называется пиковым напряжением , обозначаемым V P. Эта точка обозначена буквой А на приведенном выше графике. Точка A называется Пиковой точкой .

Если напряжение дополнительно увеличивается за пределы V P , то ток начинает уменьшаться. Оно уменьшается до точки, называемой Долинным течением , обозначенной I V. Напряжение в этой точке называется напряжением в долине , обозначаемым V V. Эта точка обозначена буквой B на приведенном выше графике. Точка B называется Point Valley .

Следовательно, область между точкой A и точкой B указывает область отрицательного сопротивления . Как только точка впадины достигнута и если напряжение еще больше увеличится, ток начнет увеличиваться. Это означает, что область отрицательного сопротивления была закончена, и устройство ведет себя нормально в соответствии с законом Ома. Эта область называется областью положительного сопротивления , которая обозначена точкой B на точке C на графике.

Немногие осцилляторы обладают отрицательным сопротивлением во время работы. Однопереходный генератор является лучшим примером несинусоидального генератора (вырабатывает форму развертки в качестве выходного сигнала), который проявляет свойство отрицательного сопротивления, в то время как туннельный диодный генератор является лучшим примером синусоидального генератора, который проявляет свойство отрицательного сопротивления.

В следующей главе этого руководства мы обсудим больше о туннельных диодных генераторах.

Схема генератора, построенная с использованием туннельного диода, называется туннельным диодным генератором.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Если концентрация примеси нормального PN-перехода сильно возрастает, образуется этот туннельный диод . Он также известен как диод Esaki , после его изобретателя.

Туннельный Диод

Когда концентрация примеси в диоде увеличивается, ширина области обеднения уменьшается, распространяя некоторую дополнительную силу на носители заряда, чтобы пересечь переход. Когда эта концентрация еще больше увеличивается из-за меньшей ширины области обеднения и повышенной энергии носителей заряда, они проникают через потенциальный барьер, а не поднимаются над ним. Это проникновение можно понимать как туннелирование и, следовательно, название, туннельный диод .

На следующем рисунке показано, как выглядит практичный туннельный диод.

Символы туннельного диода показаны ниже.

Для получения более подробной информации о туннельных диодах, пожалуйста, обратитесь к руководству по базовой электронике .

Туннельный диодный генератор

Туннельный диод помогает генерировать очень высокочастотный сигнал почти 10 ГГц. Практическая схема туннельного диода может состоять из переключателя S, резистора R и источника V питания, подключенного к цепи бака через туннельный диод D.

За работой

Значение выбранного резистора должно быть таким, чтобы оно смещало туннельный диод в середине области отрицательного сопротивления. На рисунке ниже показана практическая схема генератора туннельных диодов.

В этой схеме резистор R 1 устанавливает правильное смещение для диода, а резистор R 2 устанавливает надлежащий уровень тока для цепи бака. Параллельная комбинация резистора R p, катушки индуктивности L и конденсатора C образует контур емкости, который резонирует на выбранной частоте.

Когда переключатель S замкнут, ток цепи немедленно возрастает в направлении постоянного значения, значение которого определяется значением резистора R и сопротивлением диода.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов Однако, поскольку падение напряжения на туннельном диоде V D превышает пиковое напряжение V p , туннельный диод подается в область отрицательного сопротивления.

В этой области ток начинает уменьшаться до тех пор, пока напряжение V D не станет равным напряжению V v в точке. В этот момент дальнейшее увеличение напряжения V D приводит диод в область положительного сопротивления. В результате этого ток цепи имеет тенденцию к увеличению. Это увеличение в цепи приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R, что приведет к снижению напряжения V D.

VI характеристическая кривая

Следующий график показывает характеристики VI туннельного диода —

Кривая AB указывает область отрицательного сопротивления, когда сопротивление уменьшается, а напряжение увеличивается. Понятно, что Q-точка установлена ​​в середине кривой AB. Q-точка может перемещаться между точками A и B во время работы схемы. Точка A называется точкой пика, а точка B называется точкой долины .

Во время работы, после достижения точки B, увеличение тока в цепи приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R, что приведет к снижению напряжения V D. Это возвращает диод обратно в область отрицательного сопротивления.

Уменьшение напряжения V D равно напряжению V P, и это завершает один цикл работы. Продолжение этих циклов производит непрерывные колебания, которые дают синусоидальный выход.

преимущества

Преимущества туннельного диодного генератора следующие:

  • Он имеет высокие скорости переключения.
  • Он может обрабатывать высокие частоты.

Недостатки

Недостатки туннельного диодного генератора заключаются в следующем —

  • Это устройства с низким энергопотреблением.
  • Туннельные диоды немного дороги.

Приложения

Применения туннельного диодного генератора следующие:

  • Используется в генераторах релаксации.Генератор синусоидального напряжения: Генератор синусоидального напряжения, треугольных и прямоугольных импульсов
  • Используется в СВЧ-генераторах.
  • Он также используется в качестве сверхскоростного переключающего устройства.
  • Он используется в качестве логического запоминающего устройства.

Покрыв все основные цепи синусоидальных генераторов, следует отметить, что существует много генераторов, подобных тем, которые упоминались до сих пор. Генераторы, которые производят синусоидальные колебания, являются синусоидальными генераторами, как обсуждалось.

Генераторы, которые генерируют несинусоидальные сигналы (прямоугольные, развертки, треугольники и т. Д.), Являются несинусоидальными генераторами, которые мы подробно обсудили в нашем руководстве по импульсным схемам .

Семь распространенных способов генерации синусоидальной волны


Синусоидальная волна — это естественная форма сигнала в коммуникациях и других электронных приложениях.

Во многих электронных продуктах используются сигналы синусоидальной формы. Аудио, радио и силовое оборудование обычно генерирует или обрабатывает синусоидальные волны. Как оказалось, есть буквально десятки способов сгенерировать синусоидальную волну. В этой статье представлены некоторые популярные методы, с которыми вам следует ознакомиться.

Осциллятор с мостом Вена

Популярным синусоидальным генератором низкой частоты (аудио и примерно до 100 кГц или около того) является мост Вина, показанный на рисунке 1.

РИСУНОК 1. Популярный мостовой генератор Вина. Старый, но хороший. Частоту можно изменять, используя потенциометры для R и различные включенные значения C.


Он использует RC-цепь, которая производит сдвиг фазы на 0 градусов от выхода обратно к входу, создавая положительную обратную связь, которая, в свою очередь, вызывает колебания. Операционный усилитель используется для получения трехкратного усиления, которое компенсирует затухание RC-цепи. При чистом усилении замкнутого контура, равном единице, схема колеблется с частотой, определяемой значениями RC-цепи:

f = 1 / 2πRC

Эта схема отлично работает и дает очень чистую синусоидальную волну с низким уровнем искажений.Проблема заключается в том, что нестабильность усиления и фазы может привести к тому, что схема полностью прекратит колебания или войдет в состояние насыщения, образуя ограниченную синусоидальную или прямоугольную волну. Некоторые компоненты компенсации обычно добавляются для устранения этой проблемы.

Простое решение — заменить R1 маленькой лампочкой накаливания, сопротивление которой изменяется в зависимости от тока. По мере увеличения выходного сигнала ток и сопротивление лампы увеличиваются, а коэффициент усиления уменьшается для компенсации. Если выходной сигнал падает, ток уменьшается, уменьшая сопротивление и увеличивая коэффициент усиления, чтобы выход оставался постоянным.Один рабочий пример — сделать R2 390 Ом, а R1 лампочкой типа 327. В других более сложных схемах полевой транзистор используется в качестве переменного резистора для изменения коэффициента усиления.

Эта схема работает и имеет частоту около 1592 Гц. Амплитуда выходного сигнала зависит от напряжения источника питания.

Генератор с фазовым сдвигом

Популярным способом создания синусоидального генератора является использование RC-цепи для создания фазового сдвига на 180 градусов для использования в тракте обратной связи инвертирующего усилителя. Установка усиления усилителя для компенсации затухания RC-цепи приведет к возникновению колебаний.Существует несколько вариантов фазовращателей, включая схему Twin-T RC и каскадные RC-секции верхних частот, которые производят сдвиг на 45 или 60 градусов на каждой ступени. Усилитель может быть одним транзистором, одним операционным усилителем или несколькими операционными усилителями. На рисунке 2 показан один популярный вариант.

РИСУНОК 2. Фиксированная частота — это недостаток, но для одной частоты — хорошо. Чистый выход необходимо буферизовать с помощью повторителя операционного усилителя, если вы собираетесь управлять нагрузкой.


Эти генераторы генерируют очень чистую синусоидальную волну с низким уровнем искажений.Однако частота фиксируется в точке, где каждая RC-секция производит фазовый сдвиг на 60 градусов. Примерная частота:

f = 1 / 2.6RC

В схеме на Рисунке 2 частота должна быть около 3,85 кГц.

Кристаллический осциллятор Колпитца

Кристаллы кварца часто используются для установки частоты генератора из-за их точной частоты колебаний и стабильности. Эквивалентная схема кристалла представляет собой последовательную или параллельную LC-цепь.На рис. 3 показан очень популярный генератор синусоидальной волны типа Колпитца, который определяется схемой обратной связи с двумя конденсаторами.

РИСУНОК 3. Популярный кварцевый генератор, работающий каждый раз.


Это еще одна широко используемая схема, поскольку ее легко реализовать и она очень стабильна. Его полезный частотный диапазон составляет приблизительно от 100 кГц до 40 МГц. На выходе получается синусоида с небольшими искажениями.

Кстати, если вам нужен кварцевый генератор с синусоидальным выходом, обычно можно купить коммерческую схему.Они широко доступны практически для любой желаемой частоты. Они упакованы в металлические банки и имеют размер типичной микросхемы. Источник постоянного тока обычно составляет пять вольт.

Прямоугольная волна и фильтр

Интересный способ создать синусоидальную волну — выбрать ее с помощью фильтра. Идея состоит в том, чтобы сначала сгенерировать прямоугольную волну. Оказывается, зачастую проще сгенерировать прямоугольную или прямоугольную волну, чем синусоидальную волну. Согласно теории Фурье, прямоугольная волна состоит из основной синусоидальной волны и бесконечного числа нечетных гармоник.

Например, прямоугольная волна 10 кГц содержит синусоидальную волну 10 кГц и синусоидальные волны на 3-й, 5-й, 7-й и т. Д., Гармоники 30 кГц, 50 кГц, 70 кГц и так далее. Идея состоит в том, чтобы подключить прямоугольный сигнал к фильтру, который выбирает желаемую частоту.

На рисунке 4 показан один пример.

РИСУНОК 4. Рекомендуется использовать CMOS-версию 555, но вы можете сделать это и со стандартным 555, исключив резистор 100 кОм.


ИС таймера CMOS 555 генерирует прямоугольную волну с коэффициентом заполнения 50%.Его выходной сигнал направляется на RC-фильтр нижних частот, который отфильтровывает гармоники, оставляя только основную синусоиду. Некоторое искажение является обычным явлением, поскольку полностью устранить гармоники сложно. Для улучшения качества синусоидальной волны можно использовать более селективный LC-фильтр. Имейте в виду, что вы также можете использовать селективный полосовой фильтр, чтобы выделить одну из гармонических синусоидальных волн.

Эта схема рассчитана на частоту 1600 Гц.

Прямой цифровой синтез

Интересный способ создать синусоидальную волну — это сделать это в цифровом виде.См. Рисунок 5.

РИСУНОК 5. Прямой цифровой синтез.


Он начинается с постоянной памяти (ПЗУ), в которой хранится ряд двоичных значений, представляющих значения, соответствующие уравнению тригонометрии для синусоидальной волны. Эти значения затем считываются из ПЗУ по одному и передаются в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Тактовый сигнал воздействует на счетчик адреса, который затем последовательно обращается к значениям синуса в ПЗУ и отправляет их в ЦАП. ЦАП генерирует аналоговый выходной сигнал, пропорциональный двоичному значению из ПЗУ.Вы получаете ступенчатую аппроксимацию синусоидальной волны.

Рисунок 6 представляет собой грубый пример.

РИСУНОК 6. Ступенчатая аппроксимация синусоидальной волны. Прохождение сигнала через фильтр нижних частот сгладит ступеньки.


Если вы используете достаточно отсчетов и используете больше битов для двоичного значения, шаги будут меньше и возникнет более мелкозернистая синусоида. Частота синусоидальной волны зависит от количества выборок или значений, которые вы используете для синусоидальной волны, и частоты тактового сигнала, который считывает значения из ПЗУ.Если шаги слишком велики, вы можете пропустить ступенчатый сигнал через фильтр нижних частот, чтобы сгладить его. Доступны специальные микросхемы прямого цифрового синтеза (DDS), подобные микросхемам Analog Devices, для генерации синусоидальных волн от 1 Гц до многих МГц.

Генератор функций

Функциональный генератор — это имя устройства, которое генерирует синусоидальные, квадратные и треугольные волны. Он может описывать часть оборудования для стендовых испытаний или ИС. Одна старая, но все еще хорошая ИС функционального генератора — XR-2206.Впервые он был изготовлен Exar в 1970-х годах, но до сих пор существует.

Если вам нужен генератор синусоидальной волны, который можно настроить на любую частоту в диапазоне от 0,01 Гц до 1 МГц или более, обратите внимание на XR-2206. На рисунке 7 показан XR-2206, подключенный как генератор синусоидальной волны.

РИСУНОК 7. XR-2206 — это более старая ИС, которая все еще доступна и является отличным способом генерации синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн в широком диапазоне частот.


Частота устанавливается R и C и вычисляется по выражению:

f = 1 / RC

Внутренний генератор генерирует прямоугольную волну и треугольную волну.Схема формирования синусоиды принимает треугольную волну и преобразует ее в синусоидальную волну.

Это по-прежнему отличная фишка. Помимо трех обычных сигналов, которые он генерирует, он также может их модулировать по амплитуде или частоте.

Импульсные генераторы синусоидальной волны

Есть несколько других умных способов получить приблизительную синусоидальную волну из импульсов и фильтров. Один из способов — просто сложить две прямоугольные волны одинаковой амплитуды, одна из которых смещена на 90 градусов относительно другой (рис. 8).Пара JK-триггеров, управляемых синхронизирующими импульсами в противофазе, может генерировать две прямоугольные волны, которые нужно добавить.

РИСУНОК 8. Грубый способ аппроксимации синусоидальной волны, который может работать для некоторых приложений питания переменного тока.


В результате получается сигнал, который можно использовать в некоторых приложениях для замены синусоидальной волны. Некоторые грубые преобразователи постоянного тока в переменный используют этот метод. Эффект представляет собой среднюю мощность, аналогичную той, которую синусоидальная волна передает нагрузке. Некоторая RC- или LC-фильтрация может сгладить волну до более непрерывной синусоидальной формы.Этот метод используется в некоторых источниках бесперебойного питания (ИБП) или инверторах солнечной энергии, где идеальная синусоида не требуется.

Интересный метод использует последовательность импульсов переменной ширины, которые фильтруются в синусоидальную волну. Если вы примените прямоугольную волну с равным временем включения и выключения к фильтру нижних частот, на выходе будет среднее значение импульсного напряжения за период включения-выключения. При импульсе в пять вольт средний выходной сигнал за полный цикл волны будет 2,5 вольта. Изменяя длительность или ширину импульса, можно получить разные средние напряжения.

Пример приведен на рисунке 9.

РИСУНОК 9. Схема ШИМ для генерации синусоидального сигнала, эквивалентного импульсу. Использование нескольких импульсов снижает гармонические искажения и превращает их в более гладкую синусоидальную волну.


Амплитуды импульсов постоянны, но ширина или длительность импульса варьируются. По мере увеличения длительности импульса фильтр нижних частот производит более высокое среднее выходное напряжение. По мере сужения импульсов среднее выходное напряжение уменьшается. Нагрузка усредняет импульсы до синуса, близкого к синусу.Использование большего количества импульсов приводит к более плавной выходной синусоиде. Импульсы постепенно увеличиваются, а затем постепенно уменьшаются, и их среднее значение представляет собой синусоидальную волну. При необходимости можно добавить дополнительную фильтрацию.

Этот метод используется в некоторых системах приводов с регулируемым двигателем для изменения частоты синусоидальной волны, подаваемой на асинхронный двигатель переменного тока, для изменения его скорости (как в инверторах солнечной энергии и источниках бесперебойного питания).

Последовательность импульсов переменной ширины обычно генерируется микроконтроллером.Большинство этих процессоров имеют инструкции широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и один или несколько выходов ШИМ. Ключом к созданию синусоидальной волны с низким уровнем искажений является выбор количества, последовательности и формы импульсов. Известный инженер и писатель Дон Ланкастер разработал математический метод определения количества импульсов и их продолжительности для создания синусоидальной волны с минимальными гармоническими искажениями. Это называется волшебными синусоидальными волнами. Взгляните на www.tinaja.com.

Схемы, описанные здесь, работают, если вы хотите поиграть с ними.Я использовал операционный усилитель TL081, но почти все работает (741 и т. Д.). Также неплохо сделать усиление переменной операционного усилителя с помощью потенциометра в тракте обратной связи, чтобы отрегулировать усиление, чтобы инициировать или поддерживать колебания. NV


Генератор несинусоидального напряжения, управляемый пространственно-векторным ШИМ

Особенности

Простой и оригинальный подход к проектированию генератора несинусоидального напряжения.

Прямая генерация высокого напряжения (без использования усилителя напряжения).

Различные гармоники напряжения произвольной величины и фазового угла.

Искажения напряжения в электроэнергетической системе — проблема качества электроэнергии.

Генератор напряжения с ШИМ-управлением может использоваться для тестирования различного электроизмерительного оборудования.

Abstract

В этой статье был представлен источник напряжения, генерирующий напряжения с использованием раздельного управления величиной и фазовым углом различных гармоник.В отличие от обычных калибраторов, доступных на рынке, базовая архитектура которых состоит из плат цифро-аналогового преобразования (ЦАП) и усилителя мощности, который усиливает сигнал низкого напряжения с плат ЦАП, предлагаемое устройство может генерировать высокое напряжение непосредственно на выход инвертора. Особое внимание было уделено конструкции силового фильтра, подключаемого на выходе инвертора, и фильтра сглаживания, позволяющего точно рассчитывать дискретное преобразование Фурье. В данном исследовании метод широтно-импульсной модуляции пространственного вектора используется для генерации управляющих сигналов IGBT.Полученные экспериментальные результаты подтверждают правомерность предложенного подхода к генерации несинусоидальных сигналов напряжения. Представленная лабораторная установка может быть использована как экономичная альтернатива для тестирования различного электроизмерительного оборудования, от преобразователей напряжения, счетчиков электроэнергии и анализаторов качества электроэнергии до различных электрических устройств, работающих в несинусоидальных условиях.

Ключевые слова

Калибровка

Гармонические искажения

Качество электроэнергии

Широтно-импульсная модуляция

Спектральный анализ

Измерение напряжения

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2019 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Разработка синусоидального выхода в генераторе переменного тока

Разработка синусоидального выхода в генераторе переменного тока (на фото: Westinghouse Ac Generator)

Генератор переменного тока

Элементарный генератор переменного тока (рисунок 1) состоит из проводника или петли из проволоки в магнитном поле, создаваемом электромагнитом. Два конца петли соединены с контактными кольцами и контактируют с двумя щетками.

Когда петля вращается, она разрезает магнитные силовые линии сначала в одном направлении, а затем в другом.

Рисунок 1 — Простая конструкция генератора переменного тока

Развитие синусоидального выхода

В момент, когда петля находится в вертикальном положении (рис. 2, 0 °), стороны катушки движутся параллельно полю и не режут магнитное поле. силовые линии. В этот момент в контуре нет индуцированного напряжения. Поскольку катушка вращается против часовой стрелки, стороны катушки будут разрезать магнитные силовые линии в противоположных направлениях.

Направление индуцированных напряжений зависит от направления движения катушки.

Индуцированные напряжения складываются последовательно, делая контактное кольцо X (Рисунок 1) положительным (+), а контактное кольцо Y (Рисунок 1) отрицательным (-). Потенциал на резисторе R заставит ток течь от Y к X через резистор. Этот ток будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет максимального значения, когда катушка расположена горизонтально по отношению к магнитным силовым линиям (рис. 2, 90 °).

Горизонтальная катушка движется перпендикулярно полю и разрезает наибольшее количество магнитных силовых линий.

По мере того, как катушка продолжает вращаться, индуцированные напряжение и ток уменьшаются до тех пор, пока не достигнут нуля, при этом катушка снова находится в вертикальном положении (рис. 2, 180 °). На другой половине оборота создается такое же напряжение, но с обратной полярностью (Рисунок 2, 270 °, 360 °).

Ток, протекающий через R, теперь меняется от X к Y (Рисунок 1).

Рисунок 2 — Формирование синусоидального напряжения

Периодическое изменение полярности приводит к генерации напряжения, как показано на рисунке 2.Вращение катушки на 360 ° приводит к синусоидальному выходу переменного тока.

Генератор переменного тока — Принципы работы (ВИДЕО)

Не можете посмотреть это видео? Щелкните здесь, чтобы посмотреть его на Youtube.

Заключение

Простой генератор состоит из проводящей петли, вращающейся в магнитном поле и пересекающей магнитные силовые линии. Выходной синусоидальный сигнал является результатом перерезания силовых линий контура генератора с одной стороны.

В первой половине оборота создается положительный ток, а во второй половине вращения — отрицательный. Это завершает один цикл генерации переменного тока.

Ссылка: Справочник по электротехнике, Том 3 — Министерство энергетики США

Соответствующий контент EEP с рекламными ссылками

Генерация синусоидальной волны

Фундаментальная концепция работы систем переменного тока заключается в том, что формы сигналов напряжения и тока будут синусоидальными — синусоидальными.Лучше всего это объяснить, рассмотрев, как катушка с проволокой ведет себя при вращении в магнитном поле.

Закон индукции Фарадея гласит, что любое изменение магнитной среды в проводе вызывает в нем «индуцированное» напряжение. Математически это можно выразить как:

где:

В — наведенное напряжение, В (вольт)

B — плотность магнитного потока, Тл (тесла)

l — длина проводника, м (метр)

v — скорость между проводником и магнитным полем м.с-1 (метр в секунду)

θ — угол между проводником и магнитным полем, радианы (или градусы)

Если провод перемещается параллельно магнитному полю, результирующий угол равен нулю, а индуцированное напряжение равно нулю . Если провод перемещать перпендикулярно магнитному полю (sin θ = 1), то будет индуцировано максимальное напряжение (для данного поля и скорости). При любом другом угле напряжение будет пропорционально синусу угла.

Генерация напряжения

На практике напряжение генерируется путем вращения катушки с проволокой через магнитное поле в генераторе.На иллюстрации показан этот процесс. Изначально катушка перпендикулярна магнитному полю, генерирующему максимальное напряжение. По мере вращения катушки напряжение уменьшается согласно синусу угла до тех пор, пока проводник не станет параллельным магнитному полю. Дальнейшее вращение увеличивает напряжение до тех пор, пока оно снова не станет максимальным (но в противоположном направлении).

Для каждого оборота генерируется полная синусоида. Количество циклов синусоидальной волны, генерируемых в секунду (частота), зависит от того, насколько быстро вращается генератор.

На практике каждая катушка генератора будет иметь несколько витков провода. Для n витков полное напряжение будет в n раз больше, чем указано в приведенном выше уравнении. Обмотка реального генератора часто бывает более сложной, чем обмотка одиночной катушки, однако основная цель создания машин для генерации синусоидальной волны все еще актуальна.

Реализуйте источник синусоидального напряжения — Simulink

Тип генератора

Укажите тип генератора источника напряжения. Значение по умолчанию — Swing .

Выберите Swing , чтобы реализовать генератор, управляющий величиной и фазовым углом его напряжения на клеммах. Указать величину опорного напряжения и угла качания в шине или напряжения на шине PV и свинг параметры угла напряжения на шине нагрузки шины потока блока, подключенного к источнику напряжения терминалов.

Выберите PV , чтобы реализовать генератор, управляющий его выходной активной мощностью P и величиной напряжения V. Укажите P в параметре P активной мощности блока.Укажите V в параметре напряжения шины Swing или PV блока Load Flow Bus, подключенного к клеммам источника напряжения. Вы можете контролировать минимальную и максимальную реактивную мощность, генерируемую блоком, с помощью параметров Минимальная реактивная мощность Qmin и Максимальная реактивная мощность Qmax.

Выберите PQ , чтобы реализовать генератор, контролирующий его выходную активную мощность P и реактивную мощность Q. Укажите P и Q в параметрах активной мощности P и генерации реактивной мощности Q блока, соответственно.

Выработка активной мощности P

Укажите желаемую активную мощность, генерируемую источником, в ваттах. По умолчанию: 10e3 . Этот параметр доступен, если вы укажете тип генератора как PV или PQ .

Выработка реактивной мощности Q

Укажите желаемую реактивную мощность, генерируемую источником, в варах. По умолчанию 0 . Этот параметр доступен, только если вы укажете тип генератора как PQ .

Минимальная реактивная мощность Qmin

Этот параметр доступен, только если вы укажете тип генератора как PV . Этот параметр указывает минимальную реактивную мощность, которую источник может генерировать при поддержании напряжения на клеммах на его эталонном значении. Указать опорное напряжение в качестве свинг шины или шины PV параметра напряжения нагрузки шины потока блока подключен к источнику терминалов. Значение по умолчанию — -inf , что означает отсутствие нижнего предела выходной реактивной мощности.

Максимальная реактивная мощность Qmax

Этот параметр доступен, только если вы укажете тип генератора как PV . Этот параметр указывает максимальную реактивную мощность, которую источник может генерировать, поддерживая номинальное значение напряжения на клеммах. Указать опорное напряжение с качанием шины или шины PV параметром напряжения нагрузки шина потока блока подключен к источнику терминалам. Значение по умолчанию — inf , что означает отсутствие верхнего предела выходной реактивной мощности.

VSIN — источник синусоидального напряжения, модель

Старое содержимое — посетите altium.com/documentation

Изменено администратором 13 сентября 2017 г.

Модель Вид

Источник напряжения

Подвид модели

Синусоидальный

Префикс SPICE

В

Формат шаблона списка цепей SPICE

@DESIGNATOR% 1% 2? "DC MAGNITUDE" | DC @ "DC MAGNITUDE" | SIN (? OFFSET / & OFFSET // 0 /? AMPLITUDE / & AMPLITUDE // 1 /? FREQUENCY / & FREQUENCY // 1K /? DELAY / & DELAY // 0 /? "DAMPING FACTOR" / & "DAMPING FACTOR" // 0 / & PHASE ) # "МАГНИТУДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА" | AC @ "МАГНИТУДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА" | @ "ФАЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА"

Параметры (задаются на уровне компонентов)

Следующие параметры уровня компонента могут быть определены для этого типа модели и перечислены на вкладке «Параметры» диалогового окна «Сим-модель».Чтобы открыть это диалоговое окно, просто дважды щелкните запись для ссылки на имитационную модель в области «Модели» диалогового окна «Свойства компонента».

Величина постоянного тока

Смещение постоянного тока, используемое в анализе рабочих точек. (По умолчанию = 0).

Величина переменного тока

— величина источника при использовании в анализе слабых сигналов переменного тока. (По умолчанию = 1).

Фаза переменного тока

фаза источника при использовании в анализе слабых сигналов переменного тока.(По умолчанию = 0).

Смещение

Напряжение смещения постоянного тока генератора сигналов (в вольтах). (По умолчанию = 0).

Амплитуда

пиковая амплитуда синусоиды (в вольтах). (По умолчанию = 1).

Частота

частота синусоидального выходного напряжения (в Гц). (По умолчанию = 1 КБ).

Задержка

время задержки до появления напряжения источника (в секундах). (По умолчанию = 0).

Коэффициент демпфирования

скорость, с которой синусоида уменьшается / увеличивается по амплитуде (в 1 / секунду). Положительное значение приводит к экспоненциальному уменьшению амплитуды; отрицательное значение дает возрастающую амплитуду. Нулевое (0) значение дает синусоидальную волну постоянной амплитуды.(По умолчанию = 0).

Этап

сдвиг фазы синусоиды в нулевой момент времени (в градусах). (По умолчанию = 0).

Банкноты

  1. На изображении выше показан пример формы волны, создаваемой источником синусоидального напряжения (подключенным к нагрузке 10 Ом). Задержка была установлена ​​на 500.0u, а коэффициент демпфирования установлен на 250 — для иллюстрации убывающей синусоиды. Для всех остальных параметров оставлены значения по умолчанию.
  2. Форма сигнала описывается следующими формулами:

V (t 0 to t D ) = V O

В (t D до t STOP ) = V O + VA e - (t - t D ) THETA sin (2πF (t + t D ))

где,

  • t — это момент времени
  • V O — напряжение смещения постоянного тока генератора сигналов
  • В A — максимальная амплитуда выходного размаха (без смещения постоянного тока)
  • F — частота
  • t D — задержка, а
  • THETA — коэффициент демпфирования.
  1. Готовый к моделированию компонент источника синусоидального напряжения ( VSIN ) можно найти в интегрированной библиотеке Simulation Sources ( \ Library \ Simulation \ Simulation Sources.IntLib ).

Примеры

Рассмотрим источник синусоидального напряжения на изображении выше со следующими характеристиками:

  • Контакт 1 (положительный) подключен к сети ВХОД
  • Контакт 2 (отрицательный) подключен к сети GND
  • Обозначение: Vin
  • Частота = 10k
  • Для всех остальных параметров модели оставлены значения по умолчанию.

Запись в списке соединений SPICE будет:

* Список цепей на схеме:
Vin INPUT 0 DC 0 SIN (0 1 10k 0 0) AC 1 0

Генератор переменного тока вырабатывает синусоидальное напряжение с частотой 60 Гц максимум 120 В. а. Какое среднее напряжение? б. Какое среднеквадратичное напряжение? c. Если бы это был генератор постоянного тока с таким же максимумом 120 В, каким было бы «среднеквадратичное» напряжение?

Вопрос:

Генератор переменного тока вырабатывает синусоидальное напряжение с частотой 60 Гц максимум 120 В.

а. Какое среднее напряжение?

г. Какое среднеквадратичное напряжение?

г. Если бы это был генератор постоянного тока с таким же максимумом 120 В, каким было бы «среднеквадратичное» напряжение?

Синусоидальная форма волны:

Если напряжение описывается в виде синусоидальной волны, то это называется синусоидальной формой волны напряжения. В этой форме волны среднее напряжение полного цикла равно нулю, а «среднеквадратичное» напряжение в форме максимального напряжения формулируется как:

$$ \ begin {align}

\ color {синий} {V_ {rms} = \ frac {V_ {max}} {\ sqrt {2}}}

\ end {align}

$$

Здесь:

  • {eq} V_ {rms}

    {/ eq} — это среднеквадратичное значение напряжения.

  • {eq} V_ {max}

    {/ eq} — максимальное напряжение.

Ответ и объяснение:
1

Данные:

  • Частота синусоидальной волны, {eq} f = 60 \ \ text {Гц}

    {/ eq}

  • Максимальное напряжение волны, {eq} V_ {max} = 120 \ \ text {V}

    {/ eq}

(а)

Среднее напряжение синусоидальной волны {eq} \ color {blue} {\ text {zero}}

{/ eq}, потому что синусоидальная форма волны имеет одинаково отрицательную и положительную части в одном полном цикле.