3.4. Генераторы низких частот на оу

Амплитудно-частотная характеристика ОУ предполагает их применение для создания генераторов синусоидальных колебаний низких частот. В таких генераторах в качестве элементов с частотно-зависимыми параметрами используются RC-фильтры.

На рис.3.15 приведена схема генератора низких частот на инвертирующем усилителе. В обратную связь генератора включен трехзвенный Г-образный RC-фильтр, представленный на рис.3.16,а.

Рис.3.15. Схема генератора синусоидальных колебаний

низкой частоты, построенного на базе

инвертирующего усилителя

Рис.3.16. Трехзвенный Г-образный RC-фильтр:

а – схема фильтра, б - фазо-частотная (φ_χ )

и амплитудно-частотная (χ) характеристики

Для инвертирующего усилителя величина фазового сдвига φ= π. Тогда согласно условию (2.28) сдвиг фазы в цепи обратной связи должным быть равным φ= π. Максимальный фазовый сдвиг в одном звене Г-образного RC- фильтра составляетπ/2. Поэтому для получения необходимой величины фазового сдвига πиспользуются три звена. Фазо-частотная характеристика такого фильтра приведена на рис. 3.16, б. В дан-

ном случае частота, соответствующая фазовому сдвигу, равному π, находится внутри полосы пропускания фильтра. При равенстве сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов в каждом звене фильтра рис.3.16, а эта частота определяется как

f = . (3.24)

На рис.3.16,б приведена также частотная зависимость коэффициента передачи трехзвенного Г-образного RC- фильтра. На частоте f, определяемой соотношением (3.24), коэффициент передачиχ = 1/29. Поскольку соотношение (3.5) определяет коэффициент усиления инвертирующего усилителя в линейном режиме, то для обеспечения работы генератора сопротивления резисторов RиRдолжны удовлетворять неравенству

> 29.

Резистор R, по существу, входит в состав третьего звена фильтра. Поэтому при расчете частоты генератора по соотношению (3.24) необходимо, чтобы сопротивления резисторов

R = R= R= R║ R.

Г-образный RC- фильтр, не является селективным элементом, выделяющим преимущественную частоту. В результате, в генераторах, построенных по схеме рис.3.15, нельзя рассчитывать на получение высокой стабильности генерируемой частоты.

Рис.3.17. Мост Вина: а – схема, б – амплитудно-частотная (χ) и

фазо-частотная (φ) характеристики

Селективными свойствами обладает RC-фильтр, схема которого представлена на рис.3.17,а, получивший наименование моста Вина. Его амплитудно-частотная и фазо-частотаная характеристики приведены на рис.3.17,б. На квази-резонансной частоте, определяемой приR₁=R₂и С₁= С₂соотношением

f = , (3.25)

величина коэффициента передачи χ=, а фазовый сдвиг равен нулю.

Если мост Вина включается в цепь обратной связи, то в составе генератора должен использоваться неинвертирующий усилитель. На рис.3.18 приведена схема генератора синусоидальных колебаний, построенного на базе неинвертирующего усилителя рис.3.7, охваченного обратной связью с мостом Вина. Рабочая частота такого генератора определяется соотношением (3.25). Сопротивления резисторов R и Rподбираются с учетом работы неинвертирующего усиления в режиме насыщения. Поэтому согласно соотношению (3.8) и условию (2.27)

R> 2R.

Рис.3.18. Схема генераторасинусоидальных колебаний

на неинвертирующем усилителе с мостом Вина

3.5.Компаратор. Триггер Шмитта

При построении импульсных устройств электронной техники широкое применение нашли операционные усилители (ОУ). В таких устройствах, в отличие от аналоговых устройств, ОУ в основном работает в режиме насыщения, и выходное напряжение может принимать одно из двух значений: либо +U_{вых max} либо –U_{вых max}. В связи с высоким значением коэффициента усиления в линейном режиме переход ОУ из режима насыщения с выходным напряжением +U_{вых max} в режим с напряжением –U_{вых max} и наоборот, при изменении входного напряжения происходит практически «скачком».

Такой ход передаточной характеристики ОУ, а также наличие у него двух входов, позволяет использовать этот элемент в качестве устройства сравнения измеряемого напряжения с опорным напряжением, которое называется компаратором. Критерием сравнения двух уровней напряжения является полярность напряжения на выходе ОУ.

Рис.3.19. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на неинвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис.3.19,а. Опорное напряжение, величина которого постоянна (положительной или отрицательной полярности), подается на один из входов ОУ, а измеряемое – на другой. Если измеряемое напряжение изменяется во времени, то при достижении им уровня опорного произойдет изменение полярности выходного напряжения. Например, опорное напряжение Uположительной полярности подается на неинвертирующий вход ОУ, а измеряемоеu- на инвертирующий вход, как показано на рис.3.19,а. Тогда приu<Uна выходе ОУ напряжение будет положительное, а при u>U- отрицательным (см. рис.2.1,б). Видно, что изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда входное напряжение проходит значение U.

Компаратор на ОУ может использоваться в системах автоматического регулирования и защиты в качестве элемента измерительного органа, вырабатывающего выходной сигнал при достижении контролируемым напряжением определенного значения. По выходному сигналу затем происходит срабатывание исполнительного органа системы автоматического управления или защиты, осуществляющей изменение режима работы соответствующей аппаратуры или ее отключение.

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется схема на ОУ с положительной обратной связью, называемая триггером Шмитта. В схеме, приведенной на рис.3.20,а, входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме служит сумма напряжений, подаваемых на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов R и R (по цепи положительной обратной связи) и от дополнительного источникаU.

Рис.3.20. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на инвертирующий вход ОУ (U₀ > 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Величина опорного напряжения в схеме рис.3.20,а может быть определена с использованием принципа суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U, определяется при условии равенства нулю напряжения на выходе ОУ. Тогда величина опорного напряжения

U = u_вых + U, (3.26)

где величина напряжения u_вых может принимать только два значения: или +U_{вых max} или –U_{вых max}. При положительном напряжении на выходе ОУ согласно соотношению (3.26) на неинвертирующий вход подается напряжение

U = U +R, (3.27)

которое называется напряжением срабатывания. При отрицательной полярности выходного напряжения на неинвертирующем входе ОУ напряжение равно

U = U- R (3.28)

которое называется напряжением отпускания.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис.3.20,а представлена на рис.3.20,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +U_{вых max}. В этом случае на неинвертирующем входе действует напряжение срабатывания и передаточная характеристика проходит через точку на оси абсцисс, соответствующую U. Данные значения напряжений устанавливаются, когда на инвертирующем входе ОУ напряжение u<U. При повышении этого напряжения положительное напряжение U_{вых max}на выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжение uне превысит напряжение срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -U_{вых max}. Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и станет равным напряжению отпускания U, в результате чего происходит смещение передаточной характеристики. Она будет проходить через точку на оси абсцисс, соответствующуюU.

При обратном изменении входного напряжения, т.е. при его уменьшении, напряжение на выходе ОУ будет положительным лишь после того, как uбудет меньше напряжения отпускания. Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис.3.20,а равна

U - U = U_{вых max}. (3.29)

Находит также применение схема триггера Шмитта, в которой входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий.

Использование триггера Шмитта придает системам автоматического регулирования и защиты новое свойство. Действительно, при применении простейшей схемы компаратора величина напряжения, при которой срабатывают эти системы, остается одинаковой вне зависимости от того, в какую сторону изменяется величина контролируемого напряжения. При применении триггера Шмитта срабатывание систем автоматического регулирования или релейной защиты будет происходить при превышении контролируемым напряжением величины U, а восстановление режима работы аппаратуры, которое было до срабатывания, происходит только после уменьшения контролируемого напряжения ниже напряжения отпускания. Такое разделение напряжений срабатывания и отпускания обеспечивает, в частности, иные условия работы аппаратуры, при многократных небольших изменениях контролируемого напряжения. При применении простейшего компаратора режимы работы аппаратуры будут многократно изменяться в соответствии с изменением контролируемого напряжения. Применение триггера Шмитта исключает такие частые переключения, которые не всегда необходимы.