Генератор синусоидальных колебаний по схеме моста Вина

Исходные данные:

f_ср = 600 Гц

ПД 010 В

Генератор выполнен на микросхеме К140УД5Б.

В качестве частотно-зависимой цепи используется мост Вина, включенный ПОС:

На этой частоте коэффициент положительной обратной связи x=1/3 и фазовый сдвиг, вносимый цепью этой связи, равен 0. Поэтому для возникновения колебаний необходим неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления k=1/x=3. Для того чтобы генерация возникла и не сорвалась, этот коэффициент должен несколько превышать 3. При этом однако в отсутствии стабилитронов D₁ и D₂ амплитуда выходного напряжения будет нарастать вплоть до U_{вых m}=U_нас, где U_нас=U_пит = 12 В.

В установившемся режиме форма выходного напряжения будет отличаться от синусоиды, появятся горизонтальные участки, где U_вых = U_нас . При этом указанные участки будут тем шире, чем больше коэффициент усиления превышает 3. В пределе при высоком коэффициенте усиления кривая будет иметь трапецеидальную форму, приближающуюся к прямоугольной.

Включение стабилитронов D₁ и D₂ в цепь ООС делает последнюю нелинейной, что позволяет ограничить амплитуду на требуемом уровне. При малых значениях напряжения Uвых напряжение на диодах Uп меньше напряжения стабилизации U_ст, сопротивление R₃ не зашунтировано диодами. Сопротивления R₁,R₂,R₃ выбираются так, чтобы коэффициент усиления К=1+ был больше 3, вследствие чего амплитуды выходного напряжения и пропорционального ему напряжения на диодах U_д возрастают. При достижении напряжением U_д амплитудного значения, равному напряжению стабилизации U_ст, и соответствующему ему амплитудного значения U_вых, тот или иной диод открывается, или пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Вследствие этого выходное напряжение будет изменяться, но уже в противоположном направлении, возрастая (по модулю) до амплитудного значения другого знака. Включение стабилитрона предотвратит насыщение. Таким образом, колебания установятся с амплитудов U_{вых m}= (R₁+R₂+R₃)/R₃ , что следует из закона Ома.

Расчет:

1. Необходим генератор, обеспечивающий частоту колебаний, равную:

f_г = 10*f_ср = 10*600 = 6000 Гц

Для моста Вина частота генерации определяется по формуле:

f_г= RC= = = 2,65 · 10‾ ⁵

Используя номинальный ряд Е24, принимаем:

R’ = R’’ = R = 6,8 кОм

C’ = C’’ = C = 3,9 пФ

Примем R₁=5,6 кОм, R₂=6,8 кОм, R₃=6,8 кОм.

Напряжение стабилизации на паре стабилитронов D₁ и D₂ U_ст= ±4,2 В.

2. Убедимся, что коэффициент усиления до включения стабилитронов больше 3, а после включения меньше 3.

До включения стабилитронов:

К = 1+ > 3

К = 1+ > 3

После включения стабилитронов:

К = 1+ < 3

К = 1+

Таким образом, в приведенной схеме возникнут автоколебания.

3. Амплитуда колебаний:

Выбор и расчет измерительной схемы

Изменение измеряемой величины преобразуется в электрический сигнал с помощью чувствительного элемента датчика. ЧЭ включается в измерительную схему, питаемую от генератора с мостом Вина.

Измерительная схема преобразует сигнал, полученный от ЧЭ в процессе изменения в вариации амплитуды (амплитудная модуляция).

Выбираем параметрическую измерительную схему для включения ЧЭ: высокой точностью и малой чувствительностью к помехам являются мостовые схемы.

Выбираем комбинированный мост с двумя рабочими ЧЭ - L1 и L2.

Расчет:

Для начала найдём индуктивность L по формуле:

, где

N – это количество витков;

d – диаметр катушки, см.;

l – длина намотки, см.

По справочнику берем N = 5000 , d = 0,004 см, l = 92,3 см

- служат для балансировки моста.

Примем

Рассчитаем выходное напряжение:

Датчик выполнен из высокотехнологичных материалов:

сердечник шихтованный, L1 и L2 имеют высокую добротность ( ), а следовательно

, и поэтому:

, где = - напряжение питания моста.

Для индуктивного датчика:

Поскольку допуск на размер равен 90мкм, задаемся предельным значением отклонения

= 0,15*0,043 Гн =

Тогда: