7.3.2. Генератор сигналов синусоидальной формы со стабилизацией амплитуды
Блок-схема генератора показана на рис. 7 .4, а. Генератор состоит из инвертирующего усилителя (ИУ), стабилизатора амплитуды (СА), полосового фильтра (ПФ). Электрическая схема генератора приведена на рис. 7 .4, в, ИУ выполнен на ОУ DA1, а его коэффициент передачи равен
Ки = - R2 / R1.
Рис. 7.4. Генератор сигналов синусоидальной формы:
блок-схема (а), диаграммы работы (б), схема электрическая принципиальная (в)
СА состоит из однополупериодного выпрямителя (VD1, C1), ограничителя амплитуды колебаний (R4, VD3, VD4), интегратора (R5, R8, C2, DA2) и источника опорного напряжения (R3, VD2, R6, R7). Резисторы R6, R7 являются делителем напряжения, который определяет амплитуду колебаний генератора. СА предназначен для регулировки коэффициента усиления ограничителя. ПФ выполнен по инвертирующей схеме, что обеспечивает баланс фаз в генераторе и состоит из элементов: R9-R11, C3, C4, DA3. Элементы ПФ определяют частоту колебаний генератора
.
Составим уравнение баланса амплитуд
Ки Кф = 1,
где К – коэффициент передачи ограничителя; Кф - коэффициент передачи фильтра, Кф = - R11 /(2 R9).
Напряжение на выходе ИУ равно
и1 = ивых Ки.
Напряжение на выходе выпрямителя определяется выражением
U2 = U1 - Uпр,
где Uпр – прямое падение напряжения на диоде VD1.
В стационарном режиме напряжения на входах интегратора равны
U2 = U3 = Uст R7/(R6+ R7),
где Uст – напряжение стабилитрона.
В этом случае амплитуда напряжения на выходе генератора
Uвых = (U3 + Uпр )/ Ки.
Особенностью работы генератора является то, что коэффициент передачи ограничителя может изменяться в пределах от К1 до К3 (рис. 7.4, б). Диод VD3 всегда осуществляет полное ограничение отрицательной полуволны напряжения и2. Коэффициент К1 соответствует полному ограничению положительной амплитуды напряжения и2 диодом VD4, коэффициент К2 – частичному ограничению положительной амплитуды. В это время через диод VD4 протекает небольшой ток. При коэффициенте К3 диод VD4 закрыт и на выходе ограничителя формируется положительная полуволна напряжения с амплитудой U1.
В переходном режиме СА работает следующим образом. При подаче на генератор напряжения питания напряжение U2 < U3, так как конденсатор С1 еще не заряжен. Поэтому на выходе интегратора формируется положительное напряжение, которое запирает диод VD4. В этом случае коэффициент передачи ограничителя максимален и равен К3. По мере нарастания амплитуды колебаний заряжается конденсатор С1 выпрямителя, и в какой-то момент времени напряжение U3 становится больше напряжения U2. При этом выходное напряжение интегратора становится отрицательным.
В этом случае возможны большое перерегулирование и потеря устойчивости системы. Чтобы этого не происходило, экспериментально или с помощью моделирования осуществляют подбор постоянной времени τ = R5 С2, при которой сохраняется устойчивая работа генератора. Стабилизация амплитуды генератора происходит только при отрицательном напряжении интегратора, причем чем оно больше по амплитуде, тем меньше ограничение напряжения и4, то есть тем больше коэффициент ограничителя.
Коэффициенты передачи Ки и Кф выбирают таким образом, чтобы при стационарном режиме генератора ограничение положительной полуволны напряжения и4 находилось на уровне и4н = (U1 - Uпр ) / 2. Этому уровню напряжения соответствует коэффициент передачи К2 на рис. 7 .4, б. Амплитуда напряжения на выходе ПФ (выходе генератора) определяется выражением
Uвых = U41 Кф,
где U41 – амплитуда первой гармоники напряжения U4.