Схема синусоидальный генератор: Генератор синусоидальных сигналов с широким диапазоном частот (MAX038)

Генератор синусоидальных сигналов с широким диапазоном частот (MAX038)

Принципиальная схема самодельного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала для лабораторных целей, выполнен на микросхеме MAX038, МАХ038. Синусоидальный генератор является одним из важнейших приборов лаборатории радиолюбителя. Обычно делают два генератора, низкочастотный и высокочастотный.

Низкочастотный делают на операционном усилителе, охваченном цепью обратной связи с мостом Винна, а плавная настройка осуществляется сдвоенным переменным резистором. ВЧ-генератор делают на основе транзисторного LC-генератора с настройкой переменным конденсатором или варикапом.

Микросхема MAX038

Используя микросхему MAX038 можно сделать широкополосной генератор синусоидального сигнала, от единиц Гц до десятков МГц. При этом плавная настройка будет одинарным переменным резистором, а катушек не будет вообще. Микросхема MAX038 предназначена для построения схем генераторов.

Функциональная схема микросхемы показана на рисунке 1. А на рисунке 2 приводится типовая схема, рекомендованная производителем для построения схемы генератора синусоидального сигнала. Там же приводится формула для расчета частоты.

Микросхема по такой схеме может генерировать синусоидальный сигнал в очень широком диапазоне частот, от единиц и даже долей Гц, то 20 МГц. Что позволяет её использовать в самых разных схемах и устройствах, включая и гетеродины приемных устройств.

Рис. 1. Функциональная схема микросхемы MAX038.

Рис. 2. Типовая схема включения микросхемы MAX038.

Приницпиальная схема

На основе типовой схемы синусоидального генератора (рис.2) выполнена схема широкодиапазонного лабораторного генератора синусоидального сигнала (рис. 3), генерирующего частоту от 2 Гц до 20 МГц в семи переключаемых поддиапазонах. Что позволяет использовать этот генератор как для настройки НЧ аппаратуры, так и для РЧ аппаратуры.

Как указано в формуле на рис.2, частота генерации зависит от емкости конденсатора, включенного между выводом 5 и общим нулем питания, и сопротивления резистора между выводами 10 и 1. Для возможности и удобства работы в таком широком диапазоне частот, диапазон разбит на семь поддиапазонов, которые переключаются переключателем S1 путем переключения конденсаторов между выводом 5 и общим нулем.

Рис. 3. Принципиальная схема широкодиапазонного синусоидального генератора сигналов на микросхеме MAX038.

Плавная настройка внутри каждого диапазона осуществляется двумя последовательно включенными переменными резисторами R4 и R5, при этом резистор R5 служит для грубой установки частоты, a R4, более низкого сопротивления, для точной установки частоты. Шкалы у генератора нет, ею служит цифровой частотомер, подключаемый в разъем Х2.

Если предполагается снабдить генератор шкалой настройки, то схему плавной настройки нужно сделать на основе одного переменного резистора, многооборотного и с линейным законом изменения сопротивления.

Выходной синусоидальный сигнал снимается с вывода 19 и поступает на разъем Х2 для подачи на вход контрольного частотомера. А также, через регулятор выходного переменного напряжения на резисторе R7 на выход — разъем ХЗ, и на аттенюатор на резисторах R7-R10, позволяющем понизить выходное напряжение в 10, 100 и 1000 раз. Питание должно быть от двухполярного стабилизированного источника ±5V.

Детали и монтаж

Монтаж выполнен без применения печатной платы, в жестяном коробе размером 150x100x50 мм. Короб служит одновременно и шиной общего провода питания. Микросхема в корпусе DIP-20.

Монтаж выполнен следующим образом. Все выводы микросхемы А1, кроме тех, что соединяются с общим нулем питания, отогнуты в горизонтальное положение. Выводы, соединенные с общим проводом оставлены как есть, и припаяны к дну вышеуказанного жестяного короба.

После того как микросхема жестко закрепилась выводами, припаянными к общему проводу, остальной монтаж выполнен объемным способом на остальных выводах микросхемы. А так же, на выводах разъемов, резисторов R4, R5, R6 и галетного переключателя S1.

Значения емкостей С6-С12 указаны на схеме как есть, они не подбирались точно, поэтому реальные поддиапазоны отличаются от указанных на схеме. Если нужно выставить точные поддиапазоны, нужно точно подобрать емкости С6-С12, подключая к ним дополнительные «достроечные» конденсаторы.

Но это имеет значение только если генератор будет работать с собственной механической шкалой. При работе в паре с частотомером точная подборка С6-С12 не всегда требуется, так как генерируемая частота видна на табло цифрового частотомера.

Кручинин П. С. РК-2016-09.

Даташит на микросхему MAX038 — Скачать.

Генераторы сигналов, схемы самодельных измерительных приборов

Как сделать генератор сигнала низкой частоты, схема и описание

Важной частью радиолюбительской лаборатории является низкочастотный генератор. С его помощью можно проверять, ремонтировать и налаживать самодельную или промышленную аудио-технику. Желательно использовать генератор НЧ совместно с частотомером (для точного определения частоты) и осциллографом …

1
2112
2

Простой генератор для настройки радиоприемной аппаратуры (100 кГц- 150 МГц)

Обычно при налаживании радиоприемной аппаратуры используют генератор ВЧ, а для модуляции генератор НЧ. И то и другое — синусоидальные генераторы, сделанные по достаточно сложным схемам. Однако, во многих случаях может быть вполне достаточно простого генератора -пробника, генерирующего …

1
3753
2

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. собенность генераторов с мостом …

0
3298
0

Генератор ВЧ на 10-50МГц с индикацией частоты на мультиметре

Схема генератора высокой частоты, который вырабатывает сигналы в диапазоне от 10 до 50 МГц. Сигнал можно промодулировать по частоте подав НЧ напряжение от ГНЧ или микрофона. Девиация частоты зависит от величины этого напряжения ЗЧ. Если нужна девиация 50-100 кГц, то, при крайне верхнем …

0
3058
0

Схема генератора импульсов 1Hz — 10KHz (4011)

Принципиальная схема самодельного генератора логических импульсов с частотой от 1 Гц до 10КГц, собран на микросхеме 4011 (К561ЛА7). При ремонте и налаживании схем на цифровых микросхемах может быть очень полезен генератор логических импульсов. В общем, это генератор прямоугольных импульсов …

1
7897
11

Схема лабораторного генератора сигнала низкой частоты (10Гц-100КГц)

Низкочастотный генератор синусоидального сигнала — очень важный прибор в лаборатории любого радиолюбителя.Возможно, такой уже есть у всех. Но все же хочу познакомить читателей журнала со своим генератором. Генератор выполнен в виде самостоятельного прибора, питающегося от электросети. Но шкала …

2
8253
3

Схема очень простого генератора-пробника (100-10000 Гц)

Простой самодельный генератор-пробник, с регулировкой выходной частоты от 100 Гц до 10000 Гц, выполнен на микросхеме К561ЛА7. Если нужно экспромтом проверить прохождение сигнала по аудиотракту многие корифеи пользуются собственным пальцем как генератором НЧ (50 Гц сетевых наводок), регулируя …

1
4997
0

Генератор синусоидальных сигналов с широким диапазоном частот (MAX038)

Принципиальная схема самодельного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала для лабораторных целей, выполнен на микросхеме MAX038. Синусоидальный генератор является одним из важнейших приборов лаборатории радиолюбителя. Обычно делают два генератора, низкочастотный и высокочастотный …

5
8493
4

Схема генератора плавного диапазона до 50 MHz (HC4046)

Принципиальная схема простого генератора плавного диапазона на микросхеме HC4046, Частота до 50 MHz. Микросхема НС4046 (а так же аналогиMM74HC4046N, MJM74HC4046 и другие) представляет собой RC-генератор с ФАПЧ, способный генерировать стабильную частоту до 50 MHz, что позволяет сделать ГПД …

1
6528
0

Схема низкочастотного генератора на микросхеме КР140УД708 (20-20000Гц)

Приведена принципиальная схема низкочастотного генератора сигналов, который выполнен на ОУ КР140УД708. Низкочастотный генератор является одним из необходимейших приборов врадиолюбительской лаборатории. С его помощью можно налаживать различные усилители, снимать АЧХ, проводить эксперименты …

0
7069
0

Радиодетали, электронные блоки и игрушки из китая:

Схема синусоидальных генераторов НЧ » Паятель.Ру

Обычно, генераторы низкочастотных синусоидальных сигналов строят на операционных усилителях. 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, приемники 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 емкостями С1 и С2 образуют мост Винна, 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 подстроенным 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 кГц (при частоте кварцевого резонатора 500 кГц). Здесь синусоидальное напряжение формируется из прямоугольных импульсов с помощью ЦАП на элементах микросхемы D2 и резисторах. Период состоит из 32-х ступенек.

Окончательно выходной сигнал формируется операционным усилителем А1, и включенной на его вы ходе 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.

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. 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. 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.

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.

Схема синосуидального RC-генератора » Схемы электронных устройств

Низкочастотные генераторы синуса на цифровых КМОП микросхемах

Генератор сигналов — вещь, немаловажная в радиолюбительском хозяйстве.

Конечно, при нашей всесторонней занятости и умении здраво оценивать ситуацию, оптимальными явились бы такие логические построения:

1. купить готовый DDS генератор у мастеровитых китайских хунвейбинов;

2. загрузить и пользовать программный продукт под названием — генератор сигналов на базе ПК.

Отличное умозаключение, но немного скучноватое… К тому же в некоторых случаях куда удобней пользоваться миниатюрным и почти
ничего не потребляющим приборчиком на батарейке. Его можно систематически забывать выключить, ронять (желательно не в унитаз), шпынять
и подвергать прочему физическому насилию… Всё равно работать будет как папа Карло, за себя и за всех отсутствующих!

Вот такой малопотребляющий и трудолюбивый персонаж легко можно соорудить на логических КМОП микросхемах.

Припадём к первоисточникам:

«СИНТЕЗАТОР «СИНУСА»     
Hobby Elektronika, 11/99.

Эта простая схема, используя прямоугольный сигнал в качестве тактового, генерирует синусоидальный сигнал в диапазоне 0,01 Гц 1 МГц.

Рис.1

Выходы Q0-Q3 двоичного счетчика IC1 через логические элементы IC2 подключаются к общему проводу (0) или к питанию (+15 В) через резисторы
суммирующего каскада IC3, номиналы которых подобраны соответствующим образом.

Для четырех выходов существует всего 16 комбинаций, так что один полупериод строится из 16 ступенек.

Изменение уровня на выходе Q4 меняет состояние на одном из двух входов каждого логического элемента «Исключающее ИЛИ».

При логической «1» на входе элемент служит инвертором, при «О» — повторителем. Поэтому половину периода формируется положительная
полуволна синусоиды, а затем — отрицательная, и весь цикл снова повторяется.

Таким образом, полный период складывается из 32 шагов, и, следовательно, выходная частота составляет 1/32 часть частоты тактового
сигнала.

Амплитуда выходного сигнала определяется резистором R5. Вместо ОР77 можно использовать какой-либо другой операционный усилитель с
относительно большой скоростью нарастания выходного напряжения.

Перевод А. Бельского для журнала   Радиолюбитель 10/2000.


От редакции. Микросхемы IC1 — IC3 можно заменить отечественными К561ИЕ16, К561ЛП2 и К544УД2.»

Измеренный коэффициент нелинейных искажений приведённого генератора — около 6% во всем диапазоне рабочих частот.
Данные результаты получились с величинами резисторов: R1=10k, R2=25k, R3=51k, R4 — отсутствует. Для номиналов
резисторов, указанных на схеме, коэффициент нелинейности превысил 8%.

Более высокими характеристиками обладает схема, опубликованная в журнале Radioelektronik Audio-HiFi-Video, 1997, №11, p. 42, 43 и
перепечатанная в РАДИО № 10, 1998, с. 80.

«ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА.

Если радиолюбителю необходим источник синусоидального сигнала с частотой до 100 кГц, то такой сигнал можно сформировать с помощью
регистра сдвига и фильтра низших частот.

Рис.2

Схема формирователя приведена на рис. 2. В нем используется регистр сдвига DD2 с суммированием сигналов с восьми его выводов на
резистивной матрице.

На вход С микросхемы DD2 через инвертор на элементе DD1.1 подается тактовый сигнал формы меандр с частотой F. Использование обратной
связи с выхода Q7 микросхемы DD2 на ее вход D через инвертор ВВ1.2 приводит к тому, что высокий уровень на всех выходах микросхемы DD2
сохраняется в течение прохождения восьми тактовых импульсов с учетом сдвига на каждом из выходов на один такт (рис. 3).

Рис.3

В течение действия 16 тактовых импульсов выходное напряжение изменяется от минимума до максимума (в течение первых восьми импульсов)
и возвращается к исходному состоянию (в течение последующих восьми импульсов). Затем процесс повторяется.

Таким образом, на выходе устройства частота периодических колебаний будет в 16 раз меньше частоты поступающих тактовых импульсов.

Сигнал на выходе суммирующей матрицы ступенчатый. Весовая часть каждой «ступеньки» определяется сопротивлениями резисторов R2—R9,
поэтому при регулировании устройства потребуется их подбор с тем, чтобы прирост/спад напряжения для каждой из «ступенек» был бы одинаков.
Это позволит получить квазисинусоидальный сигнал с наименьшими искажениями.

Элементы R2—R9, R10, R12, кроме функции суммирующей матрицы, совместно с резистором R11 и конденсатором C3 выполняют роль фильтра нижних
частот (ФНЧ), благодаря чему ступенчатое изменение напряжения на входе повторителя (микросхема DA1) приобретает форму подобия
синусоидального.

Значения емкости конденсатора С3 для нескольких граничных частот ФНЧ приведены в таблице.

    Граничная частота, (Гц)    10   10²   10³
   10⁴   10⁵

    Ёмкость конд. С3, (мкФ)   100  10    1,0
    0,1   0,01

Примечание редакции. В конструкции генератора можно применить отечественные элементы: в качестве регистра сдвига — микросхему
KP1561ПР1; элементов инверторов — KP1561ТЛ1; выходного повторителя — КР140УД7, скорректированной для работы с единичным усилением.

Для номиналов резисторов, указанных на схеме, коэффициент нелинейных искажений не превышает 1% во всем диапазоне генерируемых частот.

Как часто водится, в оригинальном заграничном источнике допущена пустяковая, но вредоносная опечатка, которая прямиком перекочевала и
на страницы отечественного журнала: вместо «Ёмкость конд. С3, (мкФ)» в таблице следует читать «Ёмкость конд. С3,
(нФ)».

Для малоответственных измерений (не требующих высокой линейности формы сигналов) можно воспользоваться простейшей
схемой функционального генератора, построенного всего на одной цифровой КМОП микросхеме.

«ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР (прямоугольник, пила, синус).      
Шило В.Л. «Популярные цифровые микросхемы».

На основе КМОП-микросхемы может быть собран функциональный генератор.

Рис.4

К таким генераторам относят устройства, вырабатывающие синхронно изменяющиеся во времени сигналы разной формы.
Устройство вырабатывает сигналы прямоугольной формы, треугольной формы и синусоидальный сигнал.

В зависимости от емкости конденсатора С3 частоту генерируемых колебаний можно изменить в пределах от 35 до 3500 Гц.

Основу генератора составляет компаратор на элементах D1.1 и D1.2. С выхода компаратора сигнал поступает на интегратор (С3, R6, D1.3).


Элемент D1.4 используют как нелинейный усилитель. Регулируя уровень входного напряжения резистором R7 на входе элемента D1.4,
добиваются получения на его выходе синусоидальных колебаний.


Потенциометр R1 служит для получения симметричных колебаний, частоту импульсов меняют резистором R6.

Схемы простых генераторов низкой частоты

Генераторы низкой частоты (ГНЧ) используют для получения незатухающих периодических колебаний электрического тока в диапазоне частот от долей Гц до десятков кГц. Такие генераторы, как правило, представляют собой усилители, охваченные положительной обратной связью (рис. 11.7,11.8) через фазосдви-гающие цепочки. Для осуществления этой связи и для возбуждения генератора необходимы следующие условия: сигнал с выхода усилителя должен поступать на вход со сдвигом по фазе 360 градусов (или кратном ему, т.е. О, 720, 1080 и т.д. градусов), а сам усилитель должен иметь некоторый запас коэффициента усиления, KycMIN. Поскольку условие оптимального сдвига фаз для возникновения генерации может выполняться только на одной частоте, именно на этой частоте и возбуждается усилитель с положительной обратной связью.

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Для сдвига сигнала по фазе используют RC- и LC-цепи, кроме того, сам усилитель вносит в сигнал фазовый сдвиг. Для получения положительной обратной связи в генераторах (рис. 11.1, 11.7, 11.9) использован двойной Т-образный RC-мост; в генераторах (рис. 11.2, 11.8, 11.10) — мост Вина; в генераторах (рис. 11.3 — 11.6, 11.11 — 11.15) — фазосдвигающие RC-це-почки. В генераторах с RC-цепочками число звеньев может быть достаточно большим. На практике же для упрощения схемы число не превышает двух, трех.

Рис. 11.3

Рис. 11.4

Рис. 11.5

Рис. 11.6

Расчетные формулы и соотношения для определения основных характеристик RC-генераторов сигналов синусоидальной формы приведены в таблице 11.1. Для простоты расчета и упрощения подбора деталей использованы элементы с одинаковыми номиналами. Для вычисления частоты генерации (в Гц) в формулы подставляют значения сопротивлений, выраженные в Омах, емкостей — в Фарадах. Для примера, определим частоту генерации RC-генератора с использованием трехзвенной RC-це-пи положительной обратной связи (рис. 11.5). При R=8,2 кОм; С=5100 пФ (5,1х1СГ9 Ф) рабочая частота генератора будет равна 9326 Гц.

Таблица 11.1

Для того чтобы соотношение резистивно-емкостных элементов генераторов соответствовало расчетным значениям, крайне желательно, чтобы входные и выходные цепи усилителя, охваченного петлей положительной обратной связи, не шунтировали эти элементы, не влияли на их величину. В этой связи для построения генераторных схем целесообразно использовать каскады усиления, имеющие высокое входное и низкое выходное сопротивления.

На рис. 11.7, 11.9 приведены «теоретическая» и несложная практическая схемы генераторов с использованием двойного Т-моста в цепи положительной обратной связи.

Генераторы с мостом Вина показаны на рис. 11.8, 11.10 [Р 1/88-34]. В качестве УНЧ использован двухкаскадный усилитель. Амплитуду выходного сигнала можно регулировать потенциометром R6. Если требуется создать генератор с мостом Вина, перестраиваемый по частоте, последовательно с резисторами R1, R2 (рис. 11.2, 11.8) включают сдвоенный потенциометр. Частотой такого генератора можно также управлять, заменив конденсаторы С1 и С2 (рис. 11.2, 11.8) на сдвоенный конденсатор переменной емкости. Поскольку максимальная емкость такого конденсатора редко превышает 500 пФ, удается перестраивать частоту генерации только в области достаточно высоких частот (десятки, сотни кГц). Стабильность частоты генерации в этом диапазоне невысока.

Рис. 11.7

Рис. 11.8

На практике для изменения частоты генерации подобных устройств часто используют переключаемые наборы конденсаторов или резисторов, а во входных цепях применяют полевые транзисторы. Во всех приводимых схемах отсутствуют элементы стабилизации выходного напряжения (для упрощения), хотя для генераторов, работающих на одной частоте или в узком диапазоне ее перестройки, их использование не обязательно.

Схемы генераторов синусоидальных сигналов с использованием трехзвенных фазосдвигающих RC-цепочек (рис. 11.3)

Рис. 11.9

Рис. 11.10

показаны на рис. 11.11, 11.12. Генератор (рис. 11.11) работает на частоте 400 Гц [Р 4/80-43]. Каждый из элементов трехзвен-ной фазосдвигающей RC-цепочки вносит фазовый сдвиг на 60 градусов, при четырехзвенной — 45 градусов. Однокаскадный усилитель (рис. 11.12), выполненный по схеме с общим эмиттером, вносит необходимый для возникновения генерации фазовый сдвиг на 180 градусов. Заметим, что генератор по схеме на рис. 11.12 работоспособен при использовании транзистора с высоким коэффициентом передачи по току (обычно свыше 45…60). При значительном снижении напряжения питания и неоптимальном выборе элементов для задания режима транзистора по постоянному току генерация сорвется.

Рис. 11.11

Рис. 11.12

Рис. 11.13

Звуковые генераторы (рис. 11.13 — 11.15) близки по построению к генераторам с фазосдвигающими RC-цепочками [Рл 10/96-27]. Однако за счет использования индуктивности (телефонный капсюль ТК-67 или ТМ-2В) вместо одного из ре-зистивных элементов фазосдвигающей цепочки, они работают с меньшим числом элементов и в большем диапазоне изменения напряжения питания.

Рис. 11.14

Рис. 11.15

Так, звуковой генератор (рис. 11.13) работоспособен при изменении напряжения питания в пределах 1…15 В (потребляемый ток 2…60 мА). При этом частота генерации изменяется от 1 кГц (ипит=1,5 В) до 1,3 кГц при 15 В.

Звуковой индикатор с внешним управлением (рис. 11.14) также работает при 1)пит=1…15 В; включение/выключение генератора производится подачей на его вход логических уровней единицы/нуля, которые также должны быть в пределах 1…15 В.

Звуковой генератор может быть выполнен и по другой схеме (рис. 11.15). Частота его генерации меняется от 740 Гц (ток потребления 1,2 мА, напряжение питания 1,5 В) до 3,3 кГц (6,2 мА и 15 В). Более стабильна частота генерации при изменении напряжения питания в пределах 3…11 В — она составляет 1,7 кГц± 1%. Фактически этот генератор выполнен уже не на RC-, а на LC-эле-ментах, причем, в качестве индуктивности используется обмотка телефонного капсюля.

Низкочастотный генератор синусоидальных колебаний (рис. 11.16) собран по характерной для LC-генераторов схеме «емкостной трехточки». Отличие заключается в том, что в качестве индуктивности использована катушка телефонного капсюля, а резонансная частота находится в диапазоне звуковых колебаний за счет подбора емкостных элементов схемы.

Рис. 11.16

Рис. 11.17

Другой низкочастотный LC-генератор, выполненный по каскодной схеме, показан на рис. 11.17 [Р 1/88-51]. В качестве индуктивности можно воспользоваться универсальной или стирающей головками от магнитофонов, обмотками дросселей или трансформаторов.

RC-генератор (рис. 11.18) реализован на полевых транзисторах [Рл 10/96-27]. Подобная схема используется обычно при построении высокостабильных LC-генераторов. Генерация возникает уже при напряжении питания, превышающем 1 В. При изменении напряжения с 2 до 10 6 частота генерации понижается с 1,1 кГц до 660 Гц, а потребляемый ток увеличивается, соответственно, с 4 до 11 мА. Импульсы частотой от единиц Гц до 70 кГц и выше могут быть получены изменением емкости конденсатора С1 (от 150 пФ до 10 мкФ) и сопротивления резистора R2.

Рис. 11.18

Представленные выше звуковые генераторы могут быть использованы в качестве экономичных индикаторов состояния (включено/выключено) узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности, светоизлучающих диодов, для замены или дублирования световой индикации, для аварийной и тревожной индикации и т.д.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Генераторы синусоидальной волны

— Основы схемотехники

В нашей части 3 (из 4) мы поговорим о синусоидальных волнах и генераторах синусоидальных волн.

В идеале синусоидальные волны не должны содержать никаких гармоник и часто используются в генераторах сигналов, используемых для тестирования усилителей и фильтров, а также радиочастотных (RF) цепей для обеспечения несущих сигналов для приемников и передатчиков. Спектральная чистота и стабильность имеют первостепенное значение. Хотя есть несколько способов генерировать синусоидальные волны, например, цифровой источник e.грамм. Arduino, в этом уроке мы рассмотрим еще три распространенных способа сделать это.

Метод 1: Осцилляторы с мостом Вина

Макс Вин изобрел генератор на мосту Вина в 1891 году. В 1939 году под руководством Фредерика Термана два студента Стэнфордского университета, Хьюлетт и Паккард, разработали в своем гараже работающий генератор звуковых сигналов, используя мост Вина и стабилизатор лампы. Это был их первый продукт и начало компании Hewlett Packard!

Схема, представленная ниже, во многом аналогична конструкции, за исключением того, что в ней вместо ламп (ламп) используется операционный усилитель.Он по-прежнему использует очень подходящий метод регулятора амплитуды лампы.

Мостовой осциллятор Вина

Мостовая схема — C1 R4a и C3 R4b. R4 представляет собой потенциометр с двойным соединением и регулирует частоту, равную 1 / 2πRC. Предполагая, что R4 является центральным, скажем, 2k, это будет 1 / (2 * π * 5k * 0,01u) = 3kHz. Лампа представляет собой небольшую лампу накаливания на 12 В, как и в панельных контрольных лампах. Когда нить накала нагревается, ее сопротивление увеличивается, уменьшая ток через нее, уменьшая усиление и амплитуду на выходе, так что у вас есть очень эффективный контроль амплитуды отрицательной обратной связи.Идея состоит в том, чтобы настроить R2 так, чтобы цепь только колебалась. Это дает меньший выход, но лучшие характеристики с низким уровнем искажений.

C1 R4a — это последовательный фильтр или фильтр верхних частот, а C3 R4b — параллельный фильтр нижних частот. Когда они одинаковы в любой заданной точке, положительная обратная связь от выхода к неинвертирующему входу заставляет усилитель колебаться с усилением, установленным 1+ R2 / Rlamp.

Как видно из приведенного ниже дисплея Фурье, худшая гармоника на 58 дБ ниже; это примерно 0.13% THD. Если бы вы следовали этой схеме с фильтром нижних частот, настроенным на обрезку сразу после установленной частоты, вы могли бы сбить еще 30 дБ, что сделало бы его значительно ниже 0,01%, если бы фильтр сам по себе не добавлял слишком много искажений.

Если генератор очень чистый, стабильный по амплитуде и может настраиваться в частотном диапазоне 10: 1, а также с выбираемым диапазоном ограничения, из него получится хороший тестовый генератор. Но лучше было бы побольше вэлью банка — у меня было только 50к. Обратите внимание, что горшок должен быть типа LIN, а не типа LOG.

.

Макет моста Вина, показывающий тип контрольной лампы и двойной горшок

Метод 2: XR2206

Еще один очень удобный способ генерации хорошей синусоиды с коэффициентом настройки 10: 1 — XR2206. Этот чип дает вам бонус в виде прямоугольной волны на выходе, который вы можете использовать для управления отображением частоты.Регулировка R5 и R7 установит THD ниже 1%. Кроме того, размыкание переключателя на контакте 13 изменит синусоидальную волну на довольно хорошую форму треугольника. Этот генератор легко будет работать от 10 Гц до 100 кГц, что делает его отличным настольным генератором звуковых сигналов или полноценным функциональным генератором. Комбинируя два из этих генераторов функций и модулируя один с другим, можно синтезировать практически любой звуковой сигнал тревоги или сирену полиции / скорой помощи.

Генератор синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн 2206

Метод 3: Осциллятор Клаппа

Если вам нужно иметь синусоидальную волну на гораздо более высоких частотах, чем мы можем получить с мостом Вина и 2206, вам нужно выбрать генератор типа RF (радиочастоты).Два распространенных типа — это Hartley, в котором используется индуктивность с ответвлениями, и Colpitts, в котором используется конденсатор с ответвлениями. Оба варианта — отличный выбор. Небольшая вариация Colpitts превращает его в генератор Клаппа.

Диаграмма A показывает базовую модель Colpitts. Обратите внимание, что C1 и C5 включены последовательно / параллельно L1 и образуют резонансный контур. В Clapp, показанном на диаграмме B, значение C7 сделано намного меньше, чем C2 и C6, и имеет гораздо большее влияние на настройку. Если C7 намного меньше, частота f в основном зависит только от C7 и более стабильна и настраивается в лучшем диапазоне.Вот почему схемы Клаппа часто являются более популярным выбором для радио VFO (генераторов переменной частоты).

Ниже показан рабочий VFO Clapp, и есть несколько интересных дополнений к базовой схеме. C1 R1 обеспечивает развязку от источника питания. RFC — это около 10 витков на ферритовой бусине, что дает источнику более высокий импеданс, а R3 обеспечивает смещение для полевого транзистора. C2 и C4 — это основные ограничения обратной связи, а C5 — переменные ограничения настройки. D1 R2 помогает снизить амплитуду, создавая лучшую синусоидальную волну.

Клапп VFO

Сборка макета VFO Clapp в стиле RF

Ниже приведена форма волны Клаппа схемы выше, которая является хорошей синусоидой. Рядом с ним находится дисплей Фурье, показывающий вторую гармонику, которая почти на 40 дБ ниже (около 1% THD).

Теперь мы рассмотрели четыре различных генератора синусоидальной волны, каждый из которых дает красивые чистые формы волны.В последней статье этой серии мы рассмотрим кварцевые генераторы.

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 Wien Bridge

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

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

В нем используется RC-цепь, которая производит сдвиг фазы на нулевой градус от выхода обратно ко 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, создав обрезанную 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 выходная мощность падает, ток уменьшается, уменьшая сопротивление и увеличивая коэффициент усиления, чтобы выходная мощность оставалась постоянной. 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 сдвиги 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 Рисунок 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. Рис. 3 — очень популярный генератор синусоидальной волны типа Колпитца, что определяется схемой обратной связи с двумя конденсаторами.

РИСУНОК 3. Популярный кварцевый генератор, работающий каждый раз.

Это еще одна широко используемая схема, потому что 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-м, 5-м, 7-м и т. Д., гармоники 30 кГц, 50 кГц, 70 кГц и т. д. Идея состоит в том, чтобы подключить прямоугольный сигнал к фильтру, который выбирает желаемую частоту.

На рисунке 4 показан один пример.

РИСУНОК 4. КМОП-версия модели 555 рекомендуется, но вы можете заставить ее работать со стандартным 555, исключив резистор 100 кОм.

ИС таймера CMOS 555 генерирует прямоугольную волну с коэффициентом заполнения 50%. Его выход отправляется на RC-фильтр нижних частот, который отфильтровывает гармоники, оставляя только основную синусоидальную волну.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 применяются к цифро-аналоговому преобразователю (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 — 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 задается R и C и вычисляется по выражению:

f = 1 / RC

Внутренний генератор генерирует прямоугольную 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 приблизиться к синусоиде, 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 прямоугольный сигнал 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 рис. 9 .

РИСУНОК 9. Схема ШИМ для генерации синусоидальной волны, эквивалентной 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 длительности 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 потенциометром в тракте обратной связи, чтобы отрегулировать усиление, чтобы инициировать или поддерживать колебания. NV

A Генератор быстрой синусоидальной волны

% PDF-1.4
%
1 0 obj> поток
application / pdfA Quick Sine Wave Generator

iText 1.4 (by lowagie.com) SNOA8392011-12-07T23: 07: 48.000Z2011-12-07T23: 07: 48.000Z

конечный поток
эндобдж
2 0 obj>
эндобдж
3 0 obj> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] / Font >>> / MediaBox [0 0 540 720] / Родительский 2 0 R / Contents [12 0 R 13 0 R 14 0 R 15 0 R] / Тип / Страница >>
эндобдж
8 0 obj> поток

Простая схема генератора синусоидальной волны с использованием транзистора

Ранее мы построили простую схему генератора прямоугольной волны, сегодня в этом руководстве мы собираемся показать вам , как сгенерировать синусоидальную волну , используя несколько основных компонентов, таких как транзистор, резистор и конденсатор. Синусоидальная волна чаще всего известна как форма волны переменного тока. В этой схеме мы также построим переменную форму волны, мы сможем регулировать частоту или уменьшить шум синусоидальной волны, просто изменяя номинал конденсаторов и резисторов.

Необходимые компоненты

• 2N2222 NPN-транзистор
• Осциллограф
• Резистор (510, 1 кОм, 10 кОм и 2 кОм)
• Конденсаторы (90 нФ, 100 нФ и 200 нФ)
• Питание 12 В
• Соединительные провода

Принципиальная схема

Если вы видите схему соединений на макетной плате ниже, то вы найдете больше конденсаторов, чем показано на принципиальной схеме выше.Это потому, что мы подключили несколько конденсаторов последовательно и параллельно, чтобы получить требуемые номиналы конденсаторов, показанные на принципиальной схеме. Также можно использовать любой NPN-транзистор вместо указанного в схеме. Также вы можете изменить номинал резистора и конденсатора, чтобы изменить уровень частоты.

Работа цепи генератора синусоидальной волны:

Здесь мы подаем на схему 12 В, и мы не можем подавать его напрямую на транзистор.Итак, для этого мы используем резисторы R1 и R2, составляя схему делителя напряжения для смещения транзистора Q1. Мы использовали транзистор типа NPN, который проводит ток или смещается в прямом направлении только тогда, когда на его базовый вывод подается положительный сигнал, в противном случае он остается открытым или смещенным в обратном направлении.

Пара из трех резисторов (R3, R5 и R6) и конденсатора (C1, C2 и C3) образует в цепи RC-генератора . Это тип генератора обратной связи, который состоит из усилительного устройства, такого как транзистор, который используется в нашей схеме, или мы также можем использовать операционный усилитель.

Первоначально вход RC-цепи — постоянный ток, но после первого переключения он преобразуется в синусоидальную волну, а затем остается в синусоиде.

Мы использовали три конденсатора, каждый конденсатор дает 60-градусный фазовый сдвиг. Итак, общий фазовый сдвиг, который мы получаем, составляет 180 градусов, что требуется для синусоидальной волны.

В RC-генераторе часть выходной энергии возвращается на его вход, для получения положительной обратной связи положительная обратная связь помогает амплитуде выходного сигнала оставаться стабильной.Следовательно, выход RC-цепи представляет собой синусоидальную волну с фазовым сдвигом 180 градусов, которая подается на транзистор, и здесь транзистор работает как усилитель, который усиливает синусоидальную волну, и мы получили ее на выходном контакте.

Конденсатор C5 действует как конденсатор связи, который блокирует постоянный ток и пропускает через него только синусоидальную волну, а резистор R4 ограничивает ток коллектора.

Генератор синусоидальной волны с использованием 4047 IC

Мы также можем использовать IC 4047 для генерации синусоидальной волны.Эта ИС обычно используется в схеме инвертора, и мы ранее сделали генератор прямоугольной волны с использованием этой ИС, добавив несколько резисторов и конденсаторов в предыдущую схему, мы можем получить синусоидальную волну с IC 4047, как показано на схеме ниже:

Ниже приведена небольшая схема, которую нам нужно добавить в наш генератор прямоугольной волны, чтобы преобразовать прямоугольную волну в синусоидальную волну.

Простой генератор

обеспечивает синусоидальные и прямоугольные волны с очень низкими частотами / искажениями

Элементы можно загрузить эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

• Компромисс между интегрированными и автономными АЦП в отношении производительности, технических характеристик, сложности, надежности и стоимости.
• Как оценить, какую аналоговую технологию использовать для удовлетворения потребностей вашего приложения.
• Разница между точностью АЦП и точностью АЦП и как определить, имеет ли значение точность или прецизионность в вашем приложении.

Современные сложные распределенные системы собирают и анализируют больше аналоговых данных, а также предлагают возможности мониторинга и диагностики.По мере того, как эти системы становятся все более сложными, критическая потребность в точном измерении аналоговых сигналов продолжает расти.

Чтобы лучше соответствовать этим требованиям к точности, разработчикам часто приходится выбирать между микроконтроллером (MCU) со встроенным аналого-цифровым преобразователем (ADC) или автономным ADC. Итак, в чем разница между интегрированным АЦП и автономным АЦП и какой лучше подходит для вашего приложения?

Во-первых, давайте исследуем компромиссы производительности интегрированных и автономных АЦП, а затем мы сможем определить, как сделать правильный выбор для вашего приложения.

Интегрированные АЦП: компромисс производительности

Технологические процессы

Давайте посмотрим на АЦП с точки зрения инженера по полупроводниковым интегральным схемам (ИС), разрабатывающего интегральный АЦП. Поскольку АЦП является периферийным устройством для MCU, разработчик интегрированного ADC будет склонен использовать дружественный к MCU процесс, такой как 28-нм процесс с небольшой геометрией, который обеспечивает хорошую цифровую плотность и высокоскоростные транзисторы для MCU. Хотя процесс малой геометрии также может уменьшить размер АЦП, этот подход требует значительных компромиссов:

• Относительная стоимость АЦП увеличится из-за существенно более высокой стоимости процесса.
• Размер компонентов, доступных в процессе, увеличит собственный шум АЦП, в частности тепловой шум или шум kT / C.
• Конденсаторы большего размера, используемые в конструкциях АЦП для снижения теплового шума, будут существенным ограничением конструкции для процесса меньшей геометрии (геометрически сложнее реализовать компоненты, необходимые для аналоговых характеристик, на меньших геометрических объектах).
• Конденсаторы меньшей геометрии приведут к утечке и нелинейности в конструкции.
• Проблемы согласования, которые не контролируются так же, как в более крупных геометрических процессах, таких как 90 нм или 180 нм, приведут к отсутствию контроля в производственном процессе, а также к вариациям в параметрических характеристиках АЦП.

Еще одна проблема, связанная с процессом обработки малой геометрии, — это шум 1 / f. Шум 1 / f преобладает на низких частотах и ​​уменьшается по сравнению с постоянным током примерно в 1 / √ (частота). На более высокой частоте белый шум начинает преобладать над шумом 1 / f в точке, называемой угловой частотой (рис.1) . Если разработчик хочет улучшить производительность с помощью методов цифровой компенсации, таких как усреднение или передискретизация, он должен убедиться, что это только значения выборки, содержащие белый шум, а не шум 1 / f.

1. Белый шум — это плоская часть спектра шума: 1 / f-шум присутствует на более низкой частоте, поднимаясь из белого шума приблизительно на угловой частоте.

Проблема для меньших геометрических процессов по сравнению с более крупными геометрическими процессами заключается в том, что угловая частота сдвигается выше — значительно выше.Именно поэтому методы цифровой фильтрации, такие как усреднение или передискретизация, не улучшают производительность системы в системах с высокими угловыми частотами 1 / f. Фактически, в некоторых случаях методы цифровой фильтрации могут снизить производительность системы. Короче говоря, ограничения процесса в конечном итоге будут определять достижимую производительность АЦП (снова рис. 1) .

Схема ИС

Если микроконтроллер размещен на интегральной схеме рядом с АЦП, аналоговые характеристики АЦП будут затронуты следующим образом:

• Микроконтроллер с быстрой коммутацией будет вносить коммутационный шум и колебания земли в схемы, особенно с учетом того, что размер уменьшен до площади ИС, что значительно усложняет решение проблем.
• Синхронизация часов и методы управления могут использоваться для минимизации этих эффектов, но взаимодействие периферийных устройств и асинхронных событий все равно будет влиять на производительность АЦП.

Температура

Третья проблема — один из злейших врагов аналоговых характеристик: температура. Микроконтроллер, расположенный рядом с АЦП, будет действовать как источник переменной температуры, переходя от высокоскоростной активной мощности (горячее) к ждущему, спящему или спящему режиму (не так горячо).Такое изменение температуры вызывает плохие вещи с электронными схемами (особенно аналоговыми).

Для достижения предсказуемой производительности в условиях изменяющейся во времени температуры необходимо добавить схему температурной компенсации. Это увеличивает размер и стоимость системы — роскошь, которую сложно себе позволить интегрированным АЦП.

Стоимость тестирования

MCU — это цифровые устройства, поэтому они тестируются на цифровых тестовых платформах с использованием цифровых тестовых векторов.Решение для цифрового тестирования оптимизировано для тестирования цифровых параметров в кратчайшие сроки тестирования, чтобы получить наибольший объем устройств за минимальное время.

Если у этих цифровых испытательных платформ есть возможность аналогового тестирования, это часто ограниченные возможности аналогового тестирования с низкой производительностью. Это затрудняет тестирование аналоговых характеристик из-за отсутствия точности и шума на тестовой платформе. Вот почему характеристики аналоговой периферии на микроконтроллерах обычно либо «гарантируются конструкцией», либо «гарантируются посредством определения характеристик».«Некоторые другие ограничения на эти тестеры:

• Они часто могут тестировать только аналоговую функцию или то, что делает аналог, и часто не имеют возможности точно проверить аналоговые характеристики при изменении температуры.
• Ограничения тестера впоследствии ограничивают технические характеристики АЦП (вы не можете протестировать устройство, указанное как 12-разрядная производительность АЦП 1 млн отсчетов / с, если ваш тестер имеет только 100 тыс отсчетов / с, 8- битовая способность).
• Добавлять возможность точного аналогового тестирования к цифровой тестовой платформе непрактично.Это потребовало бы увеличения стоимости испытаний на порядок, что привело бы к соответствующему увеличению стоимости устройства.

Автономные АЦП: компромисс производительности

Технологии процесса

Для автономного АЦП, поскольку АЦП является основным компонентом, а микроконтроллер — периферийным устройством АЦП, разработчик ИС может вместо этого использовать АЦП — дружественный процесс, такой как 180-нм процесс, который предлагает более крупные и хорошо согласованные компоненты для АЦП.Однако у этого процесса есть один фундаментальный компромисс, который ограничивает производительность АЦП.

Используя более крупный геометрический процесс, у проектировщика не будет оптимизированного процесса для цифровой обработки или последовательной связи. Вместо этого ему придется полагаться на аналоговый дизайн и методы компоновки, чтобы обеспечить цифровую производительность. Отсутствие малой цифровой плотности и оптимизации скорости приведет к увеличению стоимости устройства, а цифровая производительность будет ограничена ограничениями процесса.

Схема ИС

Когда дело доходит до управления шумом, автономный АЦП имеет два преимущества по сравнению со встроенным АЦП:

• Никакие другие периферийные устройства, активные на устройстве, не влияют на аналоговые характеристики.
• Шумом переключения можно управлять, поскольку критически важные аналоговые функции могут выполняться, пока часы не работают.

Температура

Опять же, злейшим врагом аналоговой производительности является температура, но автономные АЦП в этом случае предлагают преимущества перед интегрированными, потому что:

• Нет изменяющегося во времени источника температуры (например, микроконтроллера) рядом с АЦП.
• Поскольку этот процесс является аналоговым, можно легко добавить удобную для аналоговых схем схему температурной компенсации, чтобы минимизировать влияние колебаний температуры.

Стоимость тестирования

АЦП являются аналоговыми устройствами, и поэтому они тестируются на аналоговых испытательных платформах с использованием прецизионного аналогового оборудования. Однако это связано с факторами, которые значительно увеличивают стоимость тестирования.

В отличие от цифровых испытательных платформ, которые имеют жестко контролируемые различия между тестерами, аналоговые испытательные платформы, как правило, имеют много различий между платами нагрузки, генераторами аналоговых сигналов и аналоговыми измерительными системами.Обычно это увеличивает стоимость испытаний из-за необходимости калибровки. Кроме того, чтобы гарантировать аналоговые характеристики при превышении температуры, методы компенсации для аналоговых схем часто требуют применения подстройки температуры при окончательном испытании, чтобы гарантировать низкий температурный дрейф.

Теперь, когда мы знаем компромиссы для смешанных сигналов и аналоговых сигналов, как они влияют на точность и точность?

Точность и прецизионность

Точность и прецизионность — это два термина, которые часто используются взаимозаменяемо, но имеют очень разные значения.Точность — это способность измерения соответствовать фактическому значению, которая необходима при попытке измерить конкретное значение. Точность — это возможность постоянного воспроизведения измерения или, другими словами, повторяемость измерения. Чем выше точность измерения, тем больше вы сможете различить меньшие различия.

Например, рассмотрим весы. Если на весах поместить 1000 тройских унций золота, и они будут измерены три раза, показав 1,001, 1000 и 1.000, то это высокая точность (стандартное отклонение 0,0005 унции) и высокая точность (ошибка 0,03% после усреднения). Если другая шкала дает показания 1,018, 1,017 и 1,018 унции, то она по-прежнему считается имеющей высокую точность (стандартное отклонение 0,0005 унции), но точность ниже (ошибка 1,8%).

Итак, что важнее, точность или аккуратность? Что ж, это зависит от приложения, но во многих случаях требуется как точность, так и точность.

Точность

Чтобы определить, нужна ли вам точность, важно сначала понять, как датчик используется в вашем приложении.Давайте рассмотрим пример измерения температуры с использованием термистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Первое, что бросается в глаза на графике зависимости сопротивления от температуры NTC, — это нелинейность устройства (рис. 2) .

2. Температурная характеристика термистора показывает температурную реакцию на изменение сопротивления.

Если разработчику нужно измерить NTC только при более низких температурах окружающей среды, то можно использовать АЦП с более низким разрешением.Если необходимо измерить температуру во всем диапазоне температур, тогда следует рассматривать наихудшие условия при более высоких температурах окружающей среды, что означает использование АЦП с гораздо более высоким разрешением.

Чтобы приравнять это к точности системы, определите диапазон температур и вычислите, какая точность температуры требуется в этом диапазоне. Диапазон температур будет преобразован в диапазон аналогового входного напряжения для АЦП. Точность будет наименьшим отклонением от измеренного аналогового входа, которое может выдержать приложение.

Precision

Затем рассмотрим точность. В идеале точность должна быть лучше, чем точность. Если используется показание температуры в контуре обратной связи системы, то контур обратной связи должен быть очень стабильным. Если точность хуже, чем точность, тогда контур обратной связи может стать нестабильным.

АЦП Меры точности и прецизионности

Важными характеристиками АЦП, влияющими на точность, являются интегральная нелинейность, дифференциальная нелинейность, смещение, дрейф смещения, усиление и дрейф усиления.Чтобы определить точность, необходимо оценить вклад этих источников ошибок. Точно так же точность определяется термином эффективное число битов (ENOB). Он сообщает вам отклонение, которое вы увидите в наборе показаний АЦП от истинного среднего значения. Другими словами, 68,3% (или одно стандартное отклонение от среднего) показаний АЦП, которые вы снимаете, попадут в диапазон, определенный ENOB.

Для иллюстрации вернемся к примеру с NTC. Представьте, что выходной сигнал NTC откалиброван так, чтобы он был линейным во всем диапазоне температур, чтобы дать 0 В при -40 ° C и 2.5 В при 85 ° C, и мы хотим измерить его с точностью до 1 ° C. Следовательно, точность 1 ° C в диапазоне 125 ° C составляет 0,8% точности во всем диапазоне.

Предполагая, что у нас есть 12-разрядный АЦП с общей ошибкой 1 младший бит и входным диапазоном 2,5 В, можно ожидать, что точность измерения АЦП составит 1/4096, или 0,024%, или 2,5 В / 4096 бит, или 610. мкВ / бит, что в 33 раза превышает требуемую точность. Следовательно, теоретически 12-битный АЦП должен обладать достаточной точностью, чтобы удовлетворить этим требованиям.

Теперь давайте более подробно рассмотрим пример 12-разрядного интегрированного АЦП со скоростью 400 тыс. Отсчетов / с внутри недавно выпущенного микроконтроллера.

В техническом описании общая нескорректированная ошибка (TUE) указана как ± 1,8% в диапазоне от −40 до 85 ° C. 6-битный АЦП с общей ошибкой в ​​1 младший бит дает точность 1,6%, так что же случилось с другими 6 битами 12-битного АЦП? Более того, ошибка может быть как положительной, так и отрицательной — в показаниях АЦП может быть отклонение на 3,6% или 90 мВ. В таком случае большая ошибка усиления по температуре в значительной степени способствует снижению точности. Эта большая ошибка в точности является побочным продуктом ограничений, присущих технологическому процессу.

На самом деле, будьте очень осторожны при чтении таблиц данных для интегрированных АЦП. В некоторых случаях техническое описание для интегрированного АЦП только определяет производительность АЦП с использованием внешнего опорного напряжения из-за шума, дрейфа и низкой производительности интегрированного опорного напряжения, который побеждает цель использования интегрированных аналоговых компонентов. Следовательно, в данном случае точность встроенного АЦП недостаточна для удовлетворения наших требований в 0,8%.

Итак, как насчет точности встроенного АЦП? Если посмотреть на спецификацию точности, ENOB равен 11.1 бит, что соответствует разрешению около 1,1 мВ для аналогового входного сигнала 2,5 В. Точность примерно в 80 раз лучше, чем точность. В результате интегрированный АЦП имеет погрешность 90,7 мВ и точность около 1,1 мВ (среднеквадратичное значение). Точность интегральной АЦП может быть улучшена за счет использования внешней ссылки. Но из-за того, как задан АЦП, неизвестно, насколько внешний опорный сигнал улучшит характеристики точности.

Затем рассмотрим автономный АЦП, такой как MCP33141-10 от Microchip Technology.

Посмотрев на точность этого 12-битного АЦП с частотой 1 млн отсчетов / с, вычислите TUE и сравните его с интегрированным АЦП. ТИ в диапазоне температур от -40 ° C до 125 ° C составляет ± 0,06%. Это в 30 раз лучшая точность, чем у встроенного АЦП, и работает в более широком диапазоне температур. Что касается точности, то у автономного АЦП значение ENOB составляет 11,8 бит, поэтому в этом примере точность автономного АЦП примерно в четыре раза лучше, чем его точность. В результате автономный АЦП имеет ошибку 2.9 мВ и точность около 0,7 мВ (среднеквадратичное значение).

В этом сравнении точность интегрированного и автономного АЦП очень близка (см. Таблицу) . Однако, несмотря на то, что интегрированный АЦП был точным, он не мог обеспечить требуемую точность в 1%. Только автономный АЦП может соответствовать требованию точности 1 ° C или 0,8% по температуре для датчика температуры NTC.

Системные соображения по точности и прецизионности

Проблема только при рассмотрении точности АЦП состоит в том, что он не учитывает переменные в системе (или системах), использующих АЦП.Если АЦП точный и точный, то выходной сигнал АЦП будет согласованным для всех устройств и всех условий, а не только для данного устройства или данного условия.

Следовательно, если точность или согласованность не требуются от системы к системе или во всех условиях, в которых система должна работать, преимущества использования интегрированного АЦП заключаются в меньшей сложности, размере и цене. Сложность будет на ниже со встроенным АЦП, поскольку нет необходимости разрабатывать программное обеспечение для взаимодействия с внешним АЦП, а также не будет необходимости учитывать размещение и маршрутизацию аналоговых и цифровых сигналов к АЦП и от него.Интеграция АЦП с микроконтроллером означает, что общая площадь платы также будет меньше. Кроме того, цена микроконтроллера со встроенным АЦП обычно ниже, чем комбинированная цена микроконтроллера и автономного АЦП.

Однако, если точность, точность и согласованность необходимы от системы к системе или во всех условиях, в которых система должна работать, будьте очень осторожны при выборе АЦП. Не будьте проектировщиком, который попадает в ловушку, полагая, что варианты устройства будут небольшими, а методы цифровой компенсации могут использоваться для компенсации неточности или непоследовательной аналоговой производительности.Помните, что методы цифровой компенсации потенциально могут снизить точность системы, одновременно увеличивая сложность из-за присущих процессу ограничений.

Кроме того, убедитесь, что АЦП и опорного напряжения указать не только точность, но и точность по сравнению с температурой. Если АЦП не указывает точность по температуре, тогда высок риск того, что изменения процесса, производства, испытаний и температуры будут отображаться как ошибки в системе. Хуже того, эти вариации не детерминированы.Одно устройство может иметь значительный положительный дрейф усиления, в то время как другое устройство может показывать значительный отрицательный дрейф усиления. Эти широкие вариации могут привести к нестабильности в системе.

При выборе между интегрированным АЦП и автономным АЦП, это просто выбор между стоимостью, точностью и стабильностью производительности. Как только вы определите точность или постоянство необходимой производительности, выбор станет простым.

Мостовой синусоидальный осциллятор / генератор Вина »Электроника

Генератор или генератор синусоидального сигнала с мостом Вина на операционном усилителе — отличная схема для генерации синусоидального сигнала на звуковых частотах и ​​выше.

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

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

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

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

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

Что такое Венский мост

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

Схема базового моста Вина

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

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

RC-цепь моста Вина

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

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

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

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

Между этими частотами есть точка, в которой выходной сигнал достигает максимума — его «резонансная частота», F ₀ .

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

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

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

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

Для определения балансовой частоты можно использовать простые уравнения.

ω0 = 1R1 R2 C1 C2

C1C2 = R4R3 -R2R1

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

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

Эти допущения и упрощения значительно упрощают проектирование электронной схемы.

Мостовой генератор Вина на операционном усилителе

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

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

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

Схема осциллятора с мостом Вина

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

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

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

Диодный ограничитель амплитуды для генератора на мосту Вина

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

Схема на ОУ на мостовом генераторе Вина с ограничивающими диодами

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

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

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем

Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

5 способов сгенерировать синусоидальную волну

Синусоида — это не редкость, но как ее сгенерировать? «Лучший» или наиболее подходящий метод для конкретного приложения зависит от нескольких факторов, например:

• частота,

Требуемая чистота

• ,

Амплитуда

• ,
• возможна синхронизация с другой частотой,
• переменная частота и / или амплитуда.

На более низких частотах можно рассмотреть мост Вина — для частот, возможно, до 1 МГц (хотя теоретически его можно было бы использовать на значительно более высоких частотах). Одним из недостатков является то, что его нелегко настроить, поскольку частота зависит от нескольких компонентов. Также для генераторов на мосту Вина необходим метод стабилизации амплитуды. Часто это JFET, но он может быть основан на диоде или даже с использованием небольшой лампы накаливания (не мой предпочтительный подход!) Или термистора.

Другие варианты — LC или кварцевые генераторы, которые находят свое место в наборе инструментов разработчика.Если вам нужно сгенерировать синусоидальную волну, основанную на заданных часах, потребуется другой подход. Типичная ситуация — когда вам нужна синусоида на основе точной частоты, генерируемой микроконтроллером, CPLD или FPGA. В этом случае у вас, вероятно, будет прямоугольная волна, и вам нужно будет сгенерировать из нее синусоидальную волну. Если бы вы могли сделать вашу прямоугольную волну выше, чем желаемая синусоида, вы могли бы в цифровом виде сгенерировать синусоидальную волну, используя таблицу поиска синусоид. Это принцип, используемый в некоторых микросхемах DDS (Direct Digital Synthesis) — использование DAC (цифро-аналоговый преобразователь) и генерация аналоговых значений синусоидальной волны в вашем цифровом устройстве.Вам также потребуется некоторая аналоговая фильтрация, чтобы удалить высокочастотные компоненты результирующего ступенчатого сигнала.

Вам даже не нужно использовать ЦАП — вы можете использовать синусоидальную ШИМ (широтно-импульсную модуляцию). Здесь вы должны генерировать прямоугольную волну, кратную желаемой синусоиде, и изменять ширину — не линейно, а синусоидальным образом. Затем просто отфильтруйте выходной сигнал, чтобы получить синусоидальную волну. Форма волны ниже показывает синусоидальный сигнал ШИМ (вверху — красный) и результат фильтрации. В этом случае частота ШИМ чуть менее 40 раз превышает желаемую частоту синусоидальной волны.

То же самое с ЦАП дает аналогичный результат, но предварительно отфильтрованный вывод выглядит немного иначе:

Другой метод — просто отфильтровать прямоугольный сигнал. В этом случае вы будете генерировать сигнал на той же частоте, что и прямоугольный сигнал, а не на более низкой частоте. В этом случае компромисс зависит от того, сколько фильтрации вам нужно сделать, чтобы достичь требуемой чистоты сигнала. Подход ЦАП и синусоидальной ШИМ может иметь очень простую фильтрацию, поскольку нежелательные гармоники во много раз превышают частоту синусоиды.Двухполюсный фильтр даст очень хорошие результаты, и даже однополюсный фильтр можно использовать, если частота ШИМ достаточно высока. Фильтр будет выбран для ослабления частоты ШИМ / ЦАП, не влияя при этом на синусоидальную частоту, но это не препятствует наличию переменной частоты. Уменьшение частоты повлечет за собой изменение данных ШИМ, но по-прежнему отправку их фильтру с той же частотой. При этом фильтрация может оставаться неизменной даже при переменной частоте.

Варианты этих технологий используются в силовых инверторах — с использованием многоуровневых инверторов или комбинации многоуровневой инверсии с синусоидальной ШИМ.Эти методы включают переключение питания на положительное и отрицательное напряжение, нулевое напряжение и два или более напряжения между ними. Это создает очень грубый сигнал на основе ЦАП, но только с 5 уровнями (или 7 или более, в зависимости от того, сколько уровней используется). «ЦАП» в этом случае на самом деле является мощным и управляет инверторным трансформатором. Добавление «синусоидальной ШИМ» к технике может сгладить большие шаги, возникающие в результате таких грубых шагов.

Использование прямоугольной волны на той же частоте, что и желаемая синусоида, требует сильного подавления третьей гармоники без влияния на основной сигнал.4-х полюсный фильтр Чебышева, вероятно, является минимумом для получения хорошей синусоидальной чистоты. В этом случае сложно иметь переменную частоту.

Другой метод, который обычно не используется в дискретных схемах, но может иметь смысл в аналоговой нестандартной ИС, — это формирование треугольной волны. Треугольник легко создать, просто зарядив и разрядив конденсатор постоянным током. Это также недалеко от синусоидальной волны с искажением всего 12%. Вместо того, чтобы просто фильтровать треугольник, он может быть «сформирован».Это кое-что проиллюстрировал покойный Ганс Камензинд в своей книге «Разработка аналоговых микросхем». Принцип состоит в том, чтобы просто округлить вершины треугольника, чтобы он выглядел более синусоидальным. Предлагаемая им схема показана ниже:

и результаты:

.