2.3.3. Генератор синусоидальных сигналов с мостом Вина

Схема генератора синусоидального сигнала представлена на рис.12. Генератор сигнала представляет собой неинвертирующий усилитель с положительной обратной связью (ПОС). ПОС представляет собой полосовой фильтр на элементахR₁, R₂,C₁,C₂с центральной частотойf₀. Полосовой фильтр на частотеf₀сигнал ослабляется в три раза. Для компенсации снижения уровня сигнала, поступающего по цепи ПОС, коэффициент отрицательной обратной связи β делается равным 1/3 (коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен 1/β). В такой схеме коэффициент петлевого усиления равен 1.

Если коэффициент отрицательной обратной связи β = 1/3, схема находится на границе устойчивости, и в ней происходят колебания с частотой f₀с любой, заранее установленной амплитудой. Если β < 1/3, амплитуда колебаний будет расходиться и в конечном итоге установятся периодические несинусоидальные колебания с амплитудой равной напряжению насыщения ОУ. Если β > 1/3, амплитуда колебаний будет со временем стремиться к 0. Однако, точно установить величину β = 1/3 невозможно. Поэтому необходимо применять систему автоматической стабилизации амплитуды.

Один из вариантов генератора с автоматической стабилизацией амплитуды показан на рис.13. В этой схеме стабилизацию амплитуды обеспечивают два встречно-параллельно включенных диода. Стабилизация осуществляется за счет изменения динамического сопротивления диодов при изменении тока, протекающего через него. Динамическое сопротивление диода определяется по формулеr_д=U_т /I_{д, где} U_т– термический потенциал, который равен 25,5 мВ при комнатной температуре. При увеличении амплитуды выходного сигнала увеличивается ток через диод, уменьшается его динамическое сопротивление, что приводит к увеличению коэффициента обратной связи β и уменьшению амплитуды колебаний. Если амплитуда уменьшается, то уменьшение тока через диод приводит к увеличению динамического сопротивления диода. Коэффициент β уменьшается, а амплитуда сигнала увеличивается.

Схема легко запускается, так как при малых амплитудах динамическое сопротивление диода большое, коэффициент β < 1/3 и в схеме развиваются автоколебания. Резистор обратной связи выбирается так, чтобы ограничить искажения, и может быть выбран экспериментально по наименьшим искажениям.

Частота колебаний генератора определяется из выражения

.

Обычно R₁ =R₂ = К и С₁= С₂= С, т.о.

.

Применение буферного усилителя на выходе необходимо. Временная диаграмма работы генератора показана на рис.14.

Расчет генератора

Исходные данные:

- схема генератора на рис.13;

• частота генерации 100 кГц.

Выберем величину емкости равную С₁=C₂=C= 0,001мкФ. Найдем величину резисторовR₁ =R₂ = 1/(2πf₀C) = 1/ (6,28∙100 кГц∙0,001мкФ)=1,592 кОм.

Коэффициент отрицательной обратной связи β < 1/3, т.е. коэффициент усиления равен 3. Положим R₄= 20 кОм, тогда величинаR₃= 40 кОм.

Выполняя моделирование генератора можно заметить, что выходной сигнал постепенно возрастает и обрезается на уровне напряжения насыщения операционного усилителя. Чтобы сигнал на выходе имел синусоидальную форму, необходимо подобрать величину резистора R₃по наименьшим искажениям. В результате получим величинуR₃= 36 кОм. Временная диаграмма работы генератора показана на рис.14.

3. Задание

3.1. Выполните расчет генератора сигнала прямоугольной формы, схема которого представлена на рис.5. Исходные данные взять из таблицы вариантов 1. Правильность расчета подтвердите результатами моделирования.

Замечания

Для получения правильных результатов при моделировании необходимо подобрать максимальный шаг расчета схемы MaximumTimeStep(например, 0.00001) и сбросить флагOperatingPointвAnalysisLimits.

Для построения генераторов с относительно большими частотами следует выбирать более быстродействующие ОУ, например, ОР27, LF400Cи др.

Тип стабилитрона выберите из таблицы 2.

3.2. Выполните расчет генератора сигнала треугольной формы, схема которого представлена на рис.10. Исходные данные взять из таблицы вариантов 3. Правильность расчета подтвердите результатами моделирования.

Замечания

Перед расчетом после выбора типа ОУ необходимо измерить напряжение насыщения ОУ. Для этого включите ОУ по схеме компаратора и измерьте напряжение на выходе.

Для получения правильных результатов при моделировании необходимо подобрать максимальный шаг расчета схемы MaximumTimeStep(например, 0.00001) и сбросить флагOperatingPointвAnalysisLimits.

Для построения генераторов с относительно большими частотами, следует выбирать более быстродействующие ОУ, например, ОР27, LF400Cи др.