4.3.1. Стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора.

Для того чтобы амплитуда сигналов на выходе генератора синусоидальных колебаний оставалась постоянной, необходима строго регулируемая ОС. Однако в ряде случаев это значительно усложняет схему генератора. Обычно для стабилизация амплитуды выходного сигнала генератора применяются нелинейные эле­менты: диоды, стабилитроны, лампочки накаливания, терморезисторы, полевые транзисторы и др.

В таблице 4.1. приведены схемы основные характеристики некоторых распространенных типов генераторов.

Табл. 4.1.

Один из наиболее простых способов стабилизации показан на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора терморезистором.

Он заключается о использовании делителя напряжения, включенного в цепь положительной ОС ОУ в состоящего из постоянного резистора R4 и терморезистора RТ с отрицательным температурным коэффициентом сопротив­ления. Терморезистор стабилизирует цепь ОС если выходная амплитуда воз­растает, сопротивление терморезистора падает и обратная связь уменьшается и наоборот. Резисторы R1 и R2 в цепи ОС предотвращают искажение выходного сигнала, не позволяя амплитуде возра­стать слишком сильно. В результате уровень выходного сигнала остается постоянным даже при изменении частоты генерации и замене элементов R3 или С.

Величина напряжения питания U_n может изменяться от 5 до 18 В. Амплитуда выход­ного сигнала задается величиной R2; во из­бежание искажений она должна быть значи­тельно меньше Uп. Частота генерации в схе­ме с указанными номиналами компонентов равна 2 кГц.

Другой метод стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусои­дальных сигналов с применением в цепи ОС светодиодов представлен на рис. 4.11. Для нормальной работы этого генератора с мо­стом Вина нужно, чтобы коэффициент усиления ОУ был равен 3 при требуемом уровне выходного сигнала. В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резис­торы R5 и R6, что позволит пропускать значительный ток (до 5 мА) через светодиоды. При этом диоды будут находиться в оптимальном режиме.

Рис. 4.11. Генератор с АРУ Рис. 4.12. Генератор с АРУ

на светодиодах на основе диодного моста

Рассмотренная схема обеспечивает нелинейные искажения выходного синусоидального напряжения на уровне 1%. Резистор R5 может быть исполь­зован для регулировки амплитуды выходного сигнала в пределах ±5—10 B. Выходная частота генерируемого сигнала определяется элементами моста Вина и при указанных номиналах равна 400 Гц. Изменяя эти элементы моста Вина, можно управлять частотой генератора в диапазоне, ограниченном лишь шириной полосы и скоростью нарастания выходного напряжения используе­мого ОУ. Для достижения стабильной работы генератора желательно при­менять высококачественные элементы в мосте Вина.

На рис. 4.12 показана схема, основанная, как и предыдущая, на мосте Ви­на, с тем лишь отличием, что АРУ в эюй схеме осуществляется диодным мос­том и стабилитроном в цепи отрицательной ОС ОУ.

При наличии АРУ в такой схеме первоначальное значение коэффициента усиления по петле отрицательной ОС устанавливается несколько выше необходимого для обеспечения запуска генератора. Впоследствии цепь АРУ, включаясь, снижает усиление и предотвращает дальнейшее повышение ампли­туды выходного напряжения, которое без АРУ ограничивается лишь при насыщении усилителя, что приводит к большим искажениям. Пo этой же при­чине первоначальное превышение коэффициента усиления ОУ по сравнению с требуемым для нормальной работы генератора значением (в данном случае равное 3) не должно быть значительным.

Рис. 4.13. Генератор с АРУ на полевом транзисторе

Амплитуда выходного сигнала определяется пороговым напряжением стабилитрона. Коэффициент нелинейных искажений генератора при правиль­ном подборе резисторов и стабилитрона не превышает 0,5%.

В схеме на рис. 4.13 в качестве нелинейного элемента, обеспечивающего АРУ, использован ПТ. Этот генератор состоит из пикового детектора и ПТ, который работает в режиме управляемого напряжения резистора и включен в двойную цепь с регенеративной ОС.

В этой схеме выходной синусоидальный сигнал детектируется пиковым детектором и результирующее напряжение в виде постоянного потенциала, изменяющегося с изменением амплитуды на выходе, подается на затвор ПТ. Уровень этого управляющего напряжения подбирается потенциометром 5 кОм так, чтобы при изменении сопротивления канала транзистора автоматически выполнялось условие генерации и повышалась стабильность работы схемы при любых амплитудах выходного напряжения.

При указанных на рисунке номиналах элементов схема генерирует си­нусоидальные Колебания частотой 1460 Гц и амплитудой 5 В в нагрузке соп­ротивлением 1 кОм Изменение напряжения источника питания от ±8 до ±18 В практически не оказывает влияния на параметры выходного сигнала. В температурном диапазоне 0—65° С амплитуда колебаний изменяется на 6% и частота на 1,5%. Для генерирования сигнала другой частоты необхо­димо изменить соответствующий образом номиналы резисторов и конденса­торов в двойном Т-образном мосте

Разновидность схемы генератора со стабилизацией амплитуды с по­мощью ПТ и использованием в цепи положительной ОС моста Вина, приведена на рис. 4.14. Выходное напряжение генератора выпрямляется, фильтру­ется и подается, в виде управляющего сигнала на затвор ПТ. До тех пор по­ка амплитуда выходного напряжения меньше порога открывания, стабилитро­на, напряжение затвор — исток ПТ равно нулю, и последний эквивалентен низкоомному резистору. Коэффициент передачи ОУ, определяемый цепью отрицательней ОС, в этом случае равен максимально возможному значению. Поэтому амплитуда выходного напряжения будет увеличиваться до тех пор, пока не откроется стабилитрон, который формирует управляющий сигнал, вызывающий запирание ПТ, т. е. повышение сопротивления сток—исток и соответственно увеличение глубины отрицательной ОС. При некотором зна­чении выходного напряжения полное усиление в цепях ОС генератора станет равным единице, что приведет к стабилизации амплитуды U_вых.

Рис. 4.14. Генератор на мосте Рис. 4.15. Стабилизация частоты

Вина с АРУ кварцевым резонатором

В связи с тем, что цепь АРУ управляет усилением при любых амплиту­дах выходного сигнала, разброс сопротивлений резисторов в петле отрица­тельной ОС практически не оказывает влияния на работу схемы. Однако сле­дует отметить, что в течение периода выходного напряжения возможны неко­торые изменения коэффициента усиления в схеме за счет конечного значения времени разряда фильтрующего конденсатора С1 через резистор R2. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать постоянную времени R2C1, исходя из требуемого уровня стабилизации амплитуды выходного напряже­ния генератора н приемлемого значения времени передачи сигнала по цепи APУ. Схема генератора такого типа обеспечивает уровень искажений сину­соидального напряжения не хуже 0,2%

4.3.2. Стабилизация частоты выходного напряжения генератора. Рассмотрен­ные схемы генераторов синусоидальных колебаний имеют фиксированную частоту выходных сигналов, задаваемую RС-элементами в цепях ОС. Стабиль­ность частоты колебаний, генерируемых такими схемами, в большей степени зависит от качества этих элементов, чем от структуры фазосдвигающей цепи и характеристик ОУ. Поэтому при использовании высококачественных RС-элементов приведенные выше схемы обычно удовлетворяют требова­ниям, предъявляемым к генераторам синусоидальных колебаний в части стабильности частоты выходного сигнала.

Однако в некоторых устройствах, например в эталонных генераторах, применяемых в прецизионных радиотехнических и измерительных системах, требуется дополнительная стабилизация частоты, которая обычно осущест­вляется с помощью кварцевого кристалла, включаемого в цепь положитель­ной ОС генератора рис. 4.15.

Высокая избирательность кристалла в значительной степени стабилизирует резонансное значение частоты генерации, задаваемое цепью положи­тельной ОС. В этой схеме элементы R и С предназначены в основном для фильтрации высших гармонических составляющих сигнала и выбираются с уче­том резонансного импеданса кристалла. При резонансе кристалл обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, т. е импеданс представляет собой активное сопротивление. Это сопротивление заменяет один из резисторов в цели поло­жительной ОС ОУ. Для того чтобы выполнить условие согласования резо­нансной частоты кристалла и частоты моста Вина, величину резистора R подбирают равной резонансному сопротивлению кристалла, а значение ем­кости конденсаторов С определяют из выражения RC = 1/(2f_выx).

Цепь АРУ, подключенная к инвертирующему входу ОУ, компенсирует изменения резонансного сопротивления кристалла с температурой, поддер­живая тем самым амплитуду и частоту выходных сигналов постоянной. Од­нако при больших изменениях температуры для лучшей стабилизации пара­метров выходного напряжения генератора в цепь положительной ОС последо­вательно с кварцевый кристаллом следует включить добавочный резистор не большого номинала. В этом случае величина резистора R должка быть равна сумме значений добавочного резистора и резонансного сопротивления кри­сталла.

Рис. 4.16. Регулировка амплитуды Рис. 4.17. Регулировка амплитуды

выходного сигнала генератора выходного сигнала генератора

в пределах 0 – 10 В резистором в цепи АРУ