Расписанные билеты, но с КУЧЕЙ опечаток. 6 10 вопросы. Заключение по всем генераторам. 87

• Название: 6 10 вопросы. Заключение по всем генераторам. 87
• Дата: 03.04.2023
• Размер: 4.6 Mb.
• Имя файла: Расписанные билеты, но с КУЧЕЙ опечаток.docx
• Тип: Документы; #1034382
• страница: 6 из 17

6. Генераторы гармонических сигналов. Теоретические сведения. Принцип работы. Генератор на основе моста Вина.

Генераторы гармонических сигналов. Теоретические сведения.

Генераторами являются такие схемы, которые производят периодические колебания различных форм, например, прямоугольные, треугольные, пилообразные и синусоидальные. В генераторах обычно применяются различные активные компоненты, лампы или кварцевые резонаторы, а также пассивные - резисторы, конденсаторы, индуктивности.



Существует два основных класса генераторов - релаксационные и гармонические.

Релаксационные генераторы производят треугольные, пилообразные и другие несинусоидальные сигналы, и в этой лекции они не рассматриваются. Синусоидальные генераторы состоят из усилителей со внешними компонентами, или же компоненты могут быть смонтированы на одном кристалле с усилителем.

В этой лекции рассматриваются генераторы гармонических сигналов, созданные на основе операционных усилителей. Генераторы гармонического сигнала применяются в качестве образцовых или испытательных генераторов во многих схемах. В чистом синусоидальном сигнале присутствует только основная частота - в идеале в нём нет никаких других гармоник. Таким образом, подавая синусоидальный сигнал на вход какого-нибудь устройства, можно измерить уровень гармоник на его выходе, определив таким образом коэффициент нелинейных искажений. В релаксационных генераторах выходной сигнал формируется из синусоидального сигнала, который суммируется для формирования колебаний специальной формы.

Генераторы на операционных усилителях являются нестабильными схемами - не в том смысле, что они случайно получились нестабильными - а наоборот, их специально конструируют так, чтобы они оставались в нестабильном состоянии или в состоянии генерации. Генераторы бывают полезны для генерации стандартных сигналов, используемых как образцовые для применения в областях, связанных с аудио, в качестве функциональных генераторов, в цифровых системах и в системах связи.

Генераторы на операционных усилителях ограничены низкочастотным диапазоном частотного спектра, так как у них отсутствует широкая полоса пропускания, необходимая для достижения низкого фазового сдвига на высоких частотах. Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены килогерцовым частотным диапазоном, так как доминирующий полюс при разомкнутой цепи обратной связи может находиться на достаточно низкой частоте, например 10 Гц. Новые операционные усилители с токовой связью имеют гораздо большую полосу пропускания, но их очень трудно использовать в генераторных схемах, потому что они чувствительны к ёмкостям в цепях обратной связи. Генераторы с кварцевыми резонаторами используются для применения в высокочастотных схемах в диапазоне до сотен МГц.

Принцип работы.

Для демонстрации условий возникновения колебаний (генерации) используется классическое изображение системы с отрицательной обратной связью. Ниже изображена блочная схема этой системы, где V_IN - напряжение входного сигнала, V_OUT - напряжение на выходе блока усилителя (A), β - сигнал, называемый коэффициентом обратной связи, который подаётся обратно на сумматор. E представляет ошибку, равную сумме коэффициента обратной связи и входного напряжения.



Соответствующие классические выражения для системы обратной связи выводятся следующим образом. Уравнение (1) является определяющим уравнением для выходного напряжения; уравнение (2) - для соответствующей ошибки.



Выразив первое уравнение через E и подставив его во второе, получим выражение (3).



Группируя V_OUT в одной части равенства, получим выражение (4).



Переставляя местами члены равенства, получим уравнение (5) – классическую форму описания обратной связи.



Генераторы не требуют никакого внешнего сигнала для своей работы, вместо этого они используют некоторую часть выходного сигнала, подаваемого обратно на вход через цепь обратной связи.

Колебания в генераторах возникают от того, что системе обратной связи не удаётся найти стабильное состояние, потому что условие передаточной функции не может быть выполнено. Система становится неустойчивой, когда знаменатель в уравнении (5) обращается в нуль, т.е. когда 1 + Aβ = 0, или Aβ = -1. Ключом к созданию генератора является выполнение условия Aβ = -1. Это так называемый критерий Баркгаузена.



Для удовлетворения этого критерия необходимо, что бы величина усиления цепи обратной связи совпадала по фазе с соответствующим фазовым сдвигом, равным 180°, на что указывает знак "минус". Эквивалентное выражение с использованием символики комплексной алгебры будет Aβ =1∠-180° для отрицательной системы обратной связи. Для положительной системы обратной связи выражение будет выглядеть как Aβ =1∠-0° и знак слагаемого Aβ в уравнении (5) будет отрицательным.

По мере того, как сдвиг фаз приближается к 180°, и |Aβ| --> 1, выходное напряжение теперь уже неустойчивой системы стремится к бесконечности, но оно, конечно же, ограничено конечными значениями из-за ограничения напряжения источника питания. Когда амплитуда выходного напряжения достигает величины какого-либо из питающих напряжений, то активные устройства в усилителях изменяют коэффициент усиления. Это приводит к тому, что величина A изменяется, и так же приводит к удалению Aβ от бесконечности и, таким образом траектория изменения напряжения в направлении бесконечности замедляется и в конце концов останавливается. На данном этапе может произойти одно из трёх событий:

I. Нелинейности в режиме насыщения или отсечки приводят систему в устойчивое состояние и удерживают выходное напряжение вблизи напряжения источника питания.

II. Начальные изменения приводят систему в режим насыщение (или в режим отсечки) и система остаётся в этом состоянии долгое время, прежде чем она становится линейной и выходное напряжение начинает изменяться по направлению к противоположному источнику питания.

III. Система остаётся линейной и меняет направление изменения выходного напряжения в сторону к противоположному источнику питания.

Второй вариант даёт сильно искажённые колебания (как правило, почти прямоугольной формы), такие генераторы называют релаксационными. Третий вариант производит синусоидальный сигнал.

Анализ работы схемы генератора.

При создании генераторов различными способами комбинируют положительную и отрицательную обратные связи.

На рисунке изображена базовая схема усилителя с отрицательной обратной связью (ОС) и с добавленной положительной ОС. Когда применяются и положительная, и отрицательная ОС, то их усиления комбинируются в одно общее (усиление замкнутой петли ОС).



Данную схему можно упростить до схемы с положительной ОС, тогда последующий анализ упрощается, т.к. при использовании отрицательной ОС положительная петля ОС игнорируется.

На рисунке справа представлена упрощенная схема.

Общий вид операционного усилителя с положительной и отрицательной ОС показан на рисунке ниже. Первым шагом в анализе будет разрывание петли в каком-нибудь месте, но так, чтобы усиление схемы не изменилось. Положительная ОС разорвана в точке, помеченной X.



Тестовый сигнал V_TEST подаётся в разорванную петлю и выходное напряжение V_OUT измеряется с помощью эквивалентной схемы, изображённой на рисунке.

В начале рассчитывается V₊, используя уравнение (6); затем V₊ рассматривается как входной сигнал, подаваемый на неинвертирующий усилитель, что даёт V_out из уравнения (7). Подставляя V₊ из уравнения (6) в уравнение (7), получаем в уравнении (8) передаточную функцию.







В реальной схеме элементы заменяются для каждого импеданса, и уравнение упрощается. Эти уравнения действительны в случае, если усиление при разомкнутой петле ОС огромно и частота генерации меньше, чем 0.1 ω_3dB.

В генераторах на основе сдвига фазы обычно используют отрицательную обратную связь, так что фактор положительной обратной связи (β2) обращается в нуль. В схемах генераторов на основе моста Вина используются и отрицательная (β1) и положительная (β2) обратная связи для достижения режима генерации. Уравнение (8) применяется для детального анализа этой схемы.

Сдвиг фаз в генераторах.




Кварцевые или керамические резонаторы позволяют создавать гораздо более стабильные генераторы, так как у резонаторов отношение dφ/dω гораздо выше из-за их нелинейных свойств. Резонаторы применяют в высокочастотных схемах, в низкочастотных схемах резонаторы не используют из-за их больших размеров, веса и стоимости. Операционные усилители обычно не используют совместно с кварцевыми или керамическими резонаторами, так как ОУ имеют низкую полосу пропускания.


В уравнении Aβ =1∠-180° фазовый сдвиг, равный 180°, вносят активные и пассивные компоненты. Как и любые правильно сконструированные схемы с обратной связью, генераторы зависят от фазового сдвига, вносимого пассивными компонентами, потому что этот фазовый сдвиг точный и почти без дрейфа. Фазовый сдвиг, вносимый активными компонентами сведён к минимуму, поскольку он зависит от температуры, имеет широкий начальный допуск, и зависит от типов активных элементов. Усилители подобраны таким образом, чтобы они вносили минимальный фазовый сдвиг или вообще не вносили никакого фазового сдвига на частоте колебаний. Эти факторы ограничивают рабочий диапазон генераторов на операционных усилителях относительно низкими частотами.

Однозвенные RL или RC цепи вносят фазовый сдвиг величиной до 90° (но не точно 90° - их фазовый сдвиг стремится к 90°, но никогда их не достигнет) на звено, и так как для возникновения колебаний необходим фазовый сдвиг 180°, то нужно использовать хотя бы два звена в конструкции генератора (так как максимальный фазовый сдвиг будет стремиться к 180°, то необходимое дополнение фазового сдвига до точного значения 180° будет обеспечиваться входными ёмкостями и сопротивлениями активных элементов). LC цепь имеет два полюса, и может вносить фазовый сдвиг по 180° на полюс. Но LC и LR генераторы здесь не рассматриваются, так как низкочастотные индуктивности дороги, тяжелы, громоздки и сильно неидеальны. LC генераторы применяются в высокочастотных схемах, за пределами частотного диапазона операционных усилителей, там, где размер, вес и цена индуктивностей менее важны.

Сдвиг по фазе определяет рабочую частоту генерации, поскольку схема будет генерировать колебания на любой частоте, на которой накапливается фазовый сдвиг в 180°. Чувствительность фазы к частоте, dφ/dω, определяет стабильность частоты. Когда буферированные RC звенья (буфер на операционном усилителе обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление) включены каскадно, то фазовый сдвиг умножается на количество звеньев, n.

В той области, где фазовый сдвиг равен 180°, частота генерации очень чувствительна к сдвигу фазы. Таким образом, из-за жёстких требований к частоте необходимо, чтобы фазовый сдвиг dφ, изменялся в чрезвычайно узких пределах, что бы изменения частоты dφ были бы незначительными при фазовом сдвиге, равном 180°. Из рисунка видно, что хотя два последовательно соединённых RC звена в конечном итоге обеспечивают фазовый сдвиг почти 180°, величина dφ/dω на частоте генерации недопустимо мала. Следовательно, генератор на основе двух последовательно соединённых RC цепей будет иметь плохую стабильность частоты. Три одинаковых RC фильтра, включённых последовательно, имеют гораздо большее отношение dφ/dω, что даёт в результате улучшение стабильности частоты генератора. Добавление четвёртого RC звена позволяет создать генератор с превосходным отношением dφ/dω, таким образом, это даёт наиболее стабильную по частоте схему RC генератора. Четырёхзвенные RC цепи содержат максимальное число звеньев, которое используют, потому что в одном корпусе микросхемы содержится четыре ОУ, и четырёхкаскадный генератор даёт четыре синусоиды, сдвинутые по фазе, друг относительно друга на 45°. Этот же генератор может быть использован для получения синусоидальных/косинусоидальных, а также квадратурных (т.е. с разницей 90°) сигналов.

Генератор на основе моста Вина.



Существует много типов схем генераторов гармонических сигналов и их модификаций, при практической реализации выбор зависит от частоты и желаемой монотонности выходного сигнала. Основное внимание в этой части будет уделено более известным схемам генераторов: на мосте Вина, на фазовом сдвиге, и квадратурным. Передаточная функция выводится в каждом конкретном случае с помощью методов, описанных ранее.

Генератор на основе моста Вина является одним из наиболее простых и известных, он широко используется в аудио схемах. На рисунке представлена принципиальная электрическая схема генератора. Достоинство этой схемы - малое количество применённых деталей и хорошая стабильность частоты. Основным же её недостатком является то, что амплитуда выходного сигнала приближается к величине питающих напряжений, что приводит к насыщению выходных транзисторов операционного усилителя, и как следствие, является причиной искажений выходного сигнала. Укротить эти искажения гораздо сложнее, чем заставить схему генерировать.

Применение нелинейной обратной связи может минимизировать искажения, присущие базовой схеме генератора на основе моста Вина. Нелинейный компонент, такой как лампа накаливания, можно подставить в схему на место резистора R_G, как показано на рисунке. Сопротивление лампы, R_LAMP выбрано равным половине сопротивления обратной связи, R_F, при токе, протекающим через лампу, зависящим от R_F и R_LAMP. В момент подачи питающего напряжения на схему лампа ещё холодная и её сопротивление низкое, так что усиление будет большое (больше трёх). По мере протекания тока через нить накала, она нагревается и её сопротивление увеличивается, что приводит к снижению усиления. Нелинейное отношение между протекающим через лампу током и её сопротивлением сохраняет изменение выходного напряжения небольшим - небольшое изменение напряжения означает большое изменение сопротивления. Выходной сигнал этого генератора с искажениями меньше, чем 0.1% для f_OSC = 1.57 кГц. Искажения при таких изменениях значительно снижаются по сравнению с базовой схемой генератора, так как выходной каскад ОУ избегает сильного насыщения.

Сопротивление лампы в основном зависит от температуры. Амплитуда выходного сигнала очень чувствительна к температуре и имеет тенденцию к дрейфу. Поэтому коэффициент усиления должен быть больше трёх, чтобы скомпенсировать любые температурные вариации, что приводит к увеличению искажений. Такой тип схемы полезен в случае, если температура изменяется не сильно, или при использовании совместно с со схемой ограничения по амплитуде.

Лампа имеет эффективную низкочастотную тепловую постоянную времени, t_thermal. При подходе частоты генерации f_OSC к t_thermal искажения выходного сигнала сильно возрастают. Для уменьшения искажений можно применить последовательное соединение нескольких ламп, что увеличит t_thermal. Недостатки этого способа в том, что время, необходимое для стабилизации колебаний увеличивается и амплитуда выходного сигнала уменьшается.

Анализ работы схемы генератора.

В генераторах на основе моста Вина Z₁ = R_G, Z₂ = R_F, Z₃ = (R₁ + 1/sC₁) и Z₄ = (R₂||1/sC₂). Петля разрывается между выходом и Z₁, напряжение V_TEST подаётся на Z₁, и отсюда рассчитывается V_OUT.

Напряжение положительной ОС V+, рассчитывается первым, с помощью уравнений (9-11). Уравнение (9) показывает простой делитель напряжения у неинвертирующего входа. Каждый член умножается на (R₂C₂ s + 1) и делится на R₂, что даёт в результате уравнение (10).



Подставляя s = jω₀, где jω₀ является частотой генерации, jω₁ = 1/ R₁ C₂ и jω₂ = 1/R₂C₁, получаем уравнение (11).



Теперь становятся очевидными некоторые интересные отношения. Конденсатор у нуля, представленный ω₁, и конденсатор на полюсе, представленный ω₂, должны вносить фазовый сдвиг по 90° каждый, что необходимо для генерации на частоте ω₀. Это требует, чтобы C₁=C₂ и R₁=R₂. Выбрав ω₁ и ω₂ равными ω₀, все слагаемые с частотами ω в уравнении сократятся, что идеально нейтрализует любое изменение амплитуды с частотой, так как полюса и нули нейтрализуют друг друга. Это приводит к общему коэффициенту обратной связи β = 1/3 (см. выражение 12).



Генератор на мосте Вина с АРУ.



Схема с автоматической регулировкой усиления (АРУ) должна применяться в случае, если ни одна из предыдущих схем не обеспечивает достаточно низкий уровень искажений. Схема типичного генератора с АРУ на мосте Вина изображена на рисунке слева; на рисунке справа показаны осциллограммы этой схемы. АРУ используется для стабилизации амплитуды выходного синусоидального сигнала до оптимальной величины. Полевой транзистор применён в качестве регулирующего элемента АРУ, обеспечивающего превосходное управление из-за широкого диапазона сопротивления сток-исток, которое зависит от напряжения на затворе. Напряжение на затворе транзистора равно нулю, когда подаётся напряжение питания, и соответственно сопротивление сток-исток (R_DS) будет низкое. При этом сопротивления R_G2+R_S+R_DS соединяются параллельно с R_G1, что повышает коэффициент усиления до 3,05, и схема начинает генерировать колебания, которые постепенно увеличиваются по амплитуде. По мере роста выходного напряжения отрицательная полуволна сигнала открывает диод, и конденсатор C₁ начинает заряжаться, что обеспечивает постоянное напряжение на затворе транзистора _Q1. Резистор R₁ ограничивает ток и устанавливает постоянную времени заряда конденсатора C₁ (которая должна быть гораздо больше периода частоты f_OSC). Когда коэффициент усиления достигнет трёх, то выходной сигнал стабилизируется. Искажение АРУ составляют менее 0,2%.

Схема на рисунке имеет смещение V_REF для однополярного питания. Последовательно с диодом можно включить стабилитрон, чтобы уменьшить амплитуду выходного сигнала и снизить искажения. Можно применить двухполярное питание, для этого надо соединить с общим проводом все проводники, ведущие к V_REF. Существует большое разнообразие схем генераторов на основе моста Вина с более точным управлением уровнем выходного сигнала, позволяющих ступенчато переключать частоту генерации или плавно её регулировать. Некоторые схемы используют ограничители на диодах, установленных в качестве нелинейных компонентов обратной связи. Диоды уменьшают искажения выходного сигнала путём мягкого ограничения его напряжения.