2 Выбор структурной схемы

Генератор синусоидальных колебаний представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний /1/.

Для генератора необходимо наличие частотно-избирательной цепи, то есть фильтра. Так как в фильтре происходят потери энергии, то необходим усилитель генератора (УГ). Таким образом, можно сделать вывод, что сам генератор состоит из фильтра (Ф) и усилителя. Так как существует необходимость регулировать коэффициент усиления по напряжению, то выход генератора подается на вход усилителя напряжения (УН) с переменным коэффициентом усиления.

В результате получаем следующую структурную схему генератора, показанную на рисунке 3.

Рис. 3 Структурная схема генератора

3 Синтез электрической схемы

3.1 Выбор усилителя генератора

Усилитель генератора выполняется на основе операционного усилителя на рисунке 4. У него в обратной связи помимо резистора R3 присутствует корректирующая цепь амплитуды, состоящая из двух параллельно соединенных диодов VD1 и VD2 и последовательно с ними соединенного резистора R2. Эта цепь необходима для самовозбуждения генератора при запуске, и последующей стабилизации напряжения на выходе данного усилителя.

Рис. 4 Генератор

3.2 Выбор схемы фильтра

Фильтром называется устройство, которое пропускает синусоидальные сигналы в определённом диапазоне частот (в полосе пропускания) и не пропускает их в остальном диапазоне. В качестве фильтра используется схема на основе операционного усилителя и моста Вина. Помимо схемы с мостом Вина существуют также схемы с LC-цепями и фазосдвигающими RC-цепями. Схема с LC-цепями отвергается из-за непригодности в генераторах низкой частоты /1,4/. Схема с мостом Вина выбрана как более подходящая за счёт высокого по сравнению с фазос-двигающей RC-цепью КПД, а также меньшего количества пассивных элементов, и, как следствие, меньшего количества выделяемой мощности на элементах /1/. Схема приведена на рисунке 5.

Рис. 5 Фильтр

3.3 Выбор схемы усилителя напряжения

В качестве усилителя напряжения используется операционный усилитель с отрицательной обратной связью, обеспечивающей требуемый коэффициент усиления. Так как ОУ обладает большим входным и небольшим выходным сопротивлением, исчезает необходимость в согласовании с последующим усилителем тока, то есть необходимость в применении буферных каскадов. Отрицательная обратная связь способствует повышению стабильности усилителя. Регулировка коэффициента усиления по напряжению осуществляется при помощи переменного резистора R8. Схема приведена на рисунке 6.

Рис. 6 Усилитель напряжения

4 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

4.1 Расчет фильтра генератора

Активный фильтр состоит из операционного усилителя, в цепи обратной связи которого находится мост Вина. Мост Вина состоит из двух конденсаторов С1, С2 и двух резисторов R5, R7. Резистор R7 и конденсатор С2 включены последовательно и представляют собой комплексное сопротивление Z1.

(8)

Резистор R5 и конденсатор С1 соединены параллельно и их комплексное сопротивление Z2 будет рассчитываться по формуле:

(9)

Передаточная функция данного каскада будет записана в виде

(10)

где p=jw.

Если рассмотреть данный каскад вместе с предыдущим, то получим передаточную функцию замкнутой системы можно записать в виде:

(11)

где W(p) – передаточная функция фильтра, зависящая от частоты;

K – передаточная функция пропорционального звена (усилителя генератора) независящая от частоты.

Подставляя в последнее уравнение передаточные функции фильтра и усилителя генератора, упростив их, получим следующее выражение:

Последнее выражение является произведением передаточных функций апериодического звена второго порядка и дифференцирующего звена первого порядка, которое в общем случае выглядит как:

(12)

где  – коэффициент затухания;

T – период колебаний.

Условием поддержания незатухающих колебаний является равенство нулю коэффициента затухания . Получаем формулу (13) для расчёта коэффициента усиления усилителя генератора:

(13)

По условию задания данный фильтр должен пропускать ток в диапазоне от Гц до Гц, причём:

(14) (15)

Пусть в качестве конденсаторов будут С₁ К53-1-0,62 мкФ ± 5% и С₂ К53-1-1 мкФ ± 5% /6/. Выразим и определим номиналы сопротивлений из формул (14) и (15):

Найдём K:

K=2, то есть для возникновения незатухающих колебаний нам необходим

усилитель с коэффициентом усиления, равным 2. По причине того, что опе-

рационный усилитель генератора по инвертирующей схеме, мы сможем достичь коэффициента усиления равного минус 2. Из этого следует, что коэффициент усиления фильтра заданного диапазона частот должен быть равен минус 0,5. Только при соблюдении этих пропорций возникнут незатухающие колебания.

Выберем в качестве R₅ резистор МЛТ-0,125-5,1 КОм ± 5% и в качестве R₇ МЛТ-0,125-7,5 КОм ± 2% /7/.

Простой инвертирующий усилитель двояко используется в аналоговых вычислениях. Во-первых, при R₆ = R₄ он действует как устройство, изменя­ющее знак (инвертор) без изменения величины сигнала. Во-вторых, когда требуется умножить переменную (сигнал) на константу к, выбирают R₆ / R₄ равным к.

Выберем R₆ резистор типа МЛТ-0,125-1 КОм ± 5% и R₄ соответ-ственно типа МЛТ-0,125-2 КОм ± 5%.

В качестве операционного усилителя (ОУ) выбираем 140УД6 /1/. Его параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры ОУ 140УД6

Кu	70000
f, МГц	1
Rвх, МОм	2
Rвых, Ом	200
Vuвых, В/мкс	2,5
Uвых макс, В	12
Iвых макс, мА	6
Uпит, B	15±10%
Iпотр, мА	2,8

Его скоростные характеристики нас вполне устраивают ввиду малой частоты колебаний входного сигнала. Выходные напряжения и токи в данном случае не будут превышать заданные напряжения и токи усилителя по причине присутствия корректирующих диодов в усилителе генератора.

Предыдущий каскад имеет малое выходное сопротивление, поэтому все его выходное напряжение будет падать на входном сопротивлении операционного усилителя фильтра генератора. Так как фильтр ослабляет сигнал в два раза, то выходное напряжение усилителя генератора будет ослаблено до значения:

(16)

Окончательный расчет выходного напряжения произведем в следующем пункте.