Ehdotettu siniaaltotestiäänigeneraattori perustuu Wien-sillalle, tuottaa erittäin alhaisen siniaallon vääristymän ja toimii 15 Hz - 22 kHz kahdella osakaistalla. Kaksi lähtöjännitetasoa - 0-250 mV ja 0-2,5 V. Piiri ei ole ollenkaan monimutkainen ja sitä suositellaan kokemattomillekin radioamatööreille.
Äänigeneraattorin osaluettelo
- R1, R3, R4 = 330 ohmia
- R2 = 33 ohmia
- R5 = 50k kaksoispotentiometri (lineaarinen)
- R6 = 4,7k
- R7 = 47k
- R8 = 5k potentiometri (lineaarinen)
- C1, C3 = 0,022 uF
- C2, C4 = 0,22 uF
- C5, C6 = 47uF elektrolyyttikondensaattorit (50v)
- IC1 = TL082 kaksoisoperaatiovahvistin pistokkeella
- L1 = 28V/40mA lamppu
- J1 = BNC-liitin
- J2 = RCA-liitäntä
- B1, B2 = 9 V kruunua
Yllä esitetty piiri on melko yksinkertainen ja perustuu kaksoisoperaatiovahvistimeen TL082, jota käytetään oskillaattorina ja puskurivahvistimena. Myös teolliset analogiset generaattorit rakennetaan suunnilleen tämän tyypin mukaan. Lähtösignaali riittää jopa 8 ohmin kuulokkeiden liittämiseen. Valmiustilassa virrankulutus on noin 5 mA jokaisesta akusta. Niitä on kaksi, kumpikin 9 volttia, koska operaatiovahvistimen virtalähde on kaksinapainen. Kaksi erityyppistä lähtöliitintä on asennettu käyttömukavuuden vuoksi. Erittäin kirkkaissa LED-valoissa voit käyttää 4,7k vastuksia R6. Tavallisille LEDeille - 1k vastus.
Oskillogrammi näyttää todellisen 1 kHz:n lähtösignaalin generaattorilta.
Generaattorin kokoonpano
LED toimii laitteen päälle/pois-ilmaisina. Mitä tulee L1-hehkulamppuun, monen tyyppisiä lamppuja testattiin kokoonpanoprosessin aikana ja kaikki toimivat hyvin. Aloita leikkaamalla piirilevy haluttuun kokoon, syövyttämällä, poraamalla ja kokoamalla.
Runko täällä on puoliksi puinen - puoliksi metallia. Leikkaa kaksi tuumaa paksua puupalaa kaapin sivuille. Leikkaa 2 mm:n alumiinilevystä pala etupaneelia varten. Ja pala valkoista mattapahvia vaakakelloa varten. Taivuta kahta alumiinipalaa muodostamaan paristopidikkeet ja ruuvaa ne sivuille.
Sinivärähtelyjen synnyttämiseksi on välttämätöntä, että itsevärähtelyn esiintymisen ehdot - amplituditasapaino ja vaihetasapaino - täyttyvät kapealla taajuuskaistalla. Siksi generaattoripiirissä joko vahvistimella tai takaisinkytkentäpiirillä on oltava selkeästi määritellyt taajuusominaisuudet. Erityisesti korkean Q-kaistanpäästösuodattimet ovat potentiaalisia oskillaattoreita. Kaksi yleisimmin käytettyä generaattorityyppiä ovat ne, joissa on värähtelevät piirit ( L.C. generaattorit) ja resistiivis-kapasitiivisilla piireillä ( R.C.-generaattorit).
LC generaattorit saada sinimuotoisia värähtelyjä, suodatusominaisuudet värähtelevä L.C.-piiri, ja piirissä olevien häviöiden kompensointi suoritetaan vahvistimella.
Esimerkki L.C.-oskillaattori operaatiovahvistimessa on esitetty kuvassa. 5.16. Koska operaatiovahvistin on ihanteellinen, määritämme generointiolosuhteet tämän oppikirjan kohdassa 1.2 kuvatulla tavalla. Kirjoitetaan yhtälö Kirchhoffin ensimmäisen lain mukaan operaatiovahvistimen ei-invertoivalle sisääntulolle:
(5.7)
Kuvitteellisen maan periaatteen nojalla
U 2 = U 1 R 2 /(R 1 + R 2).
Ilmaisemme täältä U 1, korvaa (5.7) ja erota (5.7). Saamme:
Siten generaattorin prosesseja kuvataan toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöllä, jonka ensimmäisessä derivaatassa on negatiivinen kerroin. Tämä on epävakaan järjestelmän yhtälö: amplituditasapainon ehto täyttyy joka tapauksessa. Yhtälö (5.7) on kuitenkin kirjoitettu ihanteellista induktanssia varten. Todellisissa värähtelevissä piireissä on häviöitä, joten suhde R 1 /R 2 säädetään vakaan itseherätyksen saamiseksi. Op-vahvistimen lähdössä oleva jännite eroaa sinimuotoisesta, koska värähtelyjen amplitudi kasvaa, kunnes vahvistin kyllästyy. Värähtelypiirin jännite pysyy käytännöllisesti katsoen sinimuotoisena myös syvällä kyllästymisessä, joten lähtöjännite yleensä poistetaan värähtelypiiristä. Tällaisella generaattorilla on kuitenkin alhainen kuormituskyky.
Op-amp-generaattoreilla on rajoitettu taajuusalue (parhaimmillaan enintään muutama MHz) johtuen siitä, että operaatiovahvistimen yksikkövahvistustaajuus on suhteellisen alhainen. Korkeammalla taajuusalueella (jopa satoja MHz), transistori L.C.- generaattorit.
Kolme yleisintä transistoripiirityyppiä ovat: L.C.-autogeneraattorit: muuntajan takaisinkytkentä (Meissner-piiri), induktiivinen kolmipiste (Hartley-piiri) ja kapasitiivinen kolmipiste (Colpitts-piiri). Jokaiselle tyypille on monia vaihtoehtoja, jotka eroavat toisistaan värähtelevän piirin sisällyttämisessä (emitteripiirissä, kollektoripiirissä, emitterin ja kannan välillä), menetelmissä PIC:n ja transistorin kytkentäpiirin luomiseksi (yhteisellä emitteri, jolla on yhteinen kanta). Kaikissa tapauksissa käytettävien transistorien virransiirron rajataajuuden tulee olla suuruusluokkaa (suositus vähintään 10 kertaa) suurempi kuin generoitu taajuus.
Kuvassa 5.17, A Esimerkki generaattorista, jossa on muuntaja PIC.
Induktanssin omaavan muuntajan ensiökäämi L, yhdessä kondensaattorin kanssa KANSSA muodostaa värähtelevän piirin resonanssitaajuudella
Kanta- ja emitterivastukset R b1, R b2, R e aseta vahvistinportaan tila tasavirralle, kondensaattoreille C b ja C e vähentää käyttöjärjestelmäpiirin vastusta. Amplituditasapainon ehto varmistetaan, kun suhde täyttyy h 21e > w Vastaanottaja / w b; Käytännössä tämä epätasa-arvo toteutuu 1,5 – 3-kertaisella marginaalilla. Vaihetasapainon kunto varmistetaan koordinoimalla käämien päällekytkentää.
Tarkastelun itseoskillaattorin, jossa on muuntaja PIC, suurin haitta on, että tarvitaan kaksi kelaa. Siksi käytännössä käytetään usein ns. kolmipistepiirejä - itseoskillaattorit, joissa värähtelevä piiri on kytketty muuhun piiriin kolmesta pisteestä. Tässä tapauksessa takaisinkytkentäjännite poistetaan osasta värähtelypiiriä. Kolmipistepiirejä on kahta tyyppiä: induktiivinen kolmipiste ja kapasitiivinen kolmipiste. Induktiivisessa kolmipistepiirissä (kuva 5.17, b) käytettiin automaattisen muuntajan käyttöjärjestelmää. OS-jännite poistetaan käämin yläosasta kaavion mukaisesti ja syötetään transistorin kantaan eristyskondensaattorin kautta C os, jonka vastus värähtelytaajuudella on mitätön. Kapasitiivisessa kolmipistepiirissä (kuva 5.17, V) OS-signaalin välittämiseen käytetään kapasitiivista jännitteenjakajaa, mikä yksinkertaistaa induktorin suunnittelua. Tämän generaattoriversion ominaisuus on, että transistori on kytketty piirin mukaan, jolla on yhteinen kanta; Samanlainen kytkentä on mahdollista induktiivisessa kolmipistepiirissä.
L.C.-generaattoreiden taajuusstabiilisuus on suhteellisen korkea (tyypillinen suhteellinen epävakaus 10 -3 – 10 -4) ja ilman lisätoimenpiteitä ne tarjoavat alhaisen harmonisen tason johtuen värähtelypiirin suodatusominaisuuksista. Ne toimivat tehokkaasti taajuusalueella 100 kHz ja sitä korkeammalla aina satoihin MHz. Matalilla taajuuksilla värähtelypiirin laatukerroin pienenee ja induktiivisten elementtien mitat kasvavat. Taajuuden säätö värähtelevissä piireissä on vaikeaa. Lisäksi käämitystuotteet ovat massatuotannossa matalateknologiaa eivätkä suunnittelun näkökulmasta sovi hyvin nykyaikaisten mikroelektroniikkalaitteiden kanssa. Siksi alle 10 6 Hz:n taajuusalueella taajuusselektiivisillä RC-piireillä varustetut generaattorit ovat yleistyneet.
RC generaattorit Niille on ominaista yksinkertaisuus ja alhaiset kustannukset, pieni paino ja mitat sekä kyky tuottaa värähtelyjä Hz:n murto-osan taajuudella. Niiden etuja yli L.C.-generaattorit näkyvät mitä kirkkaammin sitä pienempi taajuus. Vakauden suhteen ne ovat kuitenkin jonkin verran huonompia L.C.- generaattorit.
Kaksi tunnetuinta tyyppiä ovat R.C.- generaattorit: vaiheensiirtoketjulla (kuva 5.18, A) ja Wienin sillalla (kuva 5.18, b).
 |
Kuvan kaavion mukaisessa generaattorissa. 5.18, A vaiheensiirtoketjussa on tikapuurakenne. Jokainen linkki tuottaa alle 90° vaihesiirron, joten 180°:n saavuttamiseksi tarvitaan vähintään kolme linkkiä. Tasan 180° vaihesiirtokulmaa vastaavien itsevärähtelyjen taajuus on yhtä suuri kuin
. Tällä taajuudella OS-piirin lähetyskertoimen moduuli on 1/29. Siksi operaatiovahvistimen sijasta voidaan käyttää mitä tahansa invertoivaa vahvistinta, jonka vahvistus on vähintään 29, esimerkiksi yksitransistorin vahvistinastetta. Wien-sillalla varustetussa generaattorissa on kaksi takaisinkytkentäpiiriä. PIC-piirillä on monimutkainen lähetyskerroin
(5.8)
Kuten kohdasta (5.8) voidaan nähdä, PIC-piiri antaa nollavaihesiirron taajuudella ω 0 = 1/ R.C., joka vaihetasapainoehdon mukaisesti määrittää generointitaajuuden. Lähetyskertoimen moduuli tällä taajuudella on 1/3. Siksi amplituditasapainon ehdon täyttämiseksi OOS-piiri, joka on inertiaton jännitteenjakaja R1-R2, lähetyskertoimen tulisi olla hieman alle 1/3.
Kaikkien yhteinen haitta R.C.- generaattorit se on sitä R.C.- ketjuissa ei ole, kuten L.C.- piirit, joilla on selvä taajuusselektiivisyys. Siksi sukupolven ehdot täyttyvät laajalla taajuusalueella. Koska amplituditasapainon ehto on täytettävä ehdottoman tarkasti TO klo TO os = 1 on mahdotonta, silloin kun silmukan vahvistus pienenee hieman alle yksikön, värähtelyt vaimentuvat, ja jos värähtelyjen amplitudi ylittyy hieman, värähtelyjen amplitudi kasvaa, kunnes vahvistin saavuttaa kyllästysalueen , jonka jälkeen värähtelyjen muoto on hyvin erilainen kuin sinimuotoinen. Samanlaista tapahtuu sisällä L.C.-generaattori, mutta siellä värähtelypiiri vaimentaa korkeammat harmoniset. SISÄÄN R.C.-generaattorit, jotta voidaan varmistaa mahdollisimman vähän vääristymiä, on tarpeen ottaa käyttöön palautetta värähtelyjen amplitudista.
Sinimuotoisen signaalin vääristymäaste arvioidaan yleensä käyttämällä epälineaarinen vääristymätekijä tai käyttämällä harmoninen särö.
Harmoninen vääristymätekijä TO NI on yhtä suuri kuin lähtösignaalin korkeampien harmonisten keskimääräisen neliösumman suhde sen kaikkien yliaaltojen keskimääräiseen neliösummaan. Harmoninen vääristymä TOГ on yhtä suuri kuin lähtösignaalin korkeampien harmonisten keskimääräisen neliösumman suhde ensimmäisen harmonisen jännitteeseen:
Missä A i – amplitudi i th harmoniset.
Määrät TO NI ja TO G liittyvät suhteeseen:
Alhaisilla vääristymistasoilla molemmat indikaattorit ovat lähes identtisiä.
Vääristymä kanssa TO Korkeintaan 3 % on havaittavissa korvalla, kun taas 5 % on havaittavissa oskilloskoopin näytöllä.
Eräs menetelmistä generaattorin epälineaaristen vääristymien vähentämiseksi on peittää vahvistin ylimääräisellä epälineaarisella takaisinkytkennän avulla, esimerkiksi käyttämällä zener-diodeja (näkyy katkoviivalla kuvassa 5.18, b). Kun värähtelyamplitudi kasvaa tasolle, jolla Zener-diodin hajoaminen alkaa, vastus ohitetaan R 1, minkä seurauksena takaisinkytkennän syvyys kasvaa, joten jännitteen vahvistus pienenee ja amplitudi stabiloituu.
Toinen ratkaisu on vaihtaa vastus R 2 elementti, jolla on lämpötilariippuvainen vastus (puolijohdetermistori positiivisella TCR:llä tai mikrotehoinen hehkulamppu). Kun lähtöjännitteen amplitudi kasvaa, tähän elementtiin hajotettu teho kasvaa, joten vastus kasvaa, mikä johtaa negatiivisen takaisinkytkennän syvyyden kasvuun. Koska tässä suoritusmuodossa epälineaarisia elementtejä ei tuoda piiriin, ovat muotovääristymät hyvin pieniä (noin 0,5 %). Tämän ratkaisun haittana on signaalin amplitudin riippuvuus ympäristön lämpötilasta.
Kun luot tarkkuutta R.C.-generaattoreita (esim. sinimuotoisten signaalien mittausgeneraattoreissa) tiukat vaatimukset harmonissisällölle ja amplitudin stabiiliudelle voidaan saavuttaa ottamalla käyttöön erillinen amplitudin takaisinkytkentäpiiri (kuva 5.19). Stabiloinnin periaate perustuu siihen, että kenttätransistori alhaisilla nielulähdejännitteillä käyttäytyy kuin ohjattu vastus. Elementit VD2, C1, R3 muodostaa puoliaaltotasasuuntaajan suodattimella, zener-diodilla VD1 tarjoaa suuremman herkkyyden amplitudin muutoksille. Ensimmäisellä hetkellä virran kytkemisen jälkeen kondensaattori C1 purkautunut. Resistanssi R 1 , R 2 ja tyhjennyslähteen vastus R SI-kenttätransistori VT1 valitaan niin, että ehto täyttyy
R 1 /(R 2 + R ci) > 2, kun taas piirissä esiintyy lisääntyviä värähtelyjä virran kytkemisen jälkeen. Kun värähtelyjen amplitudi alkaa ylittää zener-diodin läpilyöntijännitteen VD1, kondensaattorissa C1 ilmestyy negatiivisen napaisuuden jännite, joka johtaa nousuun R si ja sen seurauksena lähetyskertoimen kasvu OOS-piiriä pitkin. Tämän seurauksena värähtelyjen amplitudi tasaantuu.
Harkittuja rakennusmenetelmiä R.C.- Sinivärähtelygeneraattoreita voidaan kutsua perinteisiksi. Myös useita muita menetelmiä käytetään - vähemmän yleisiä, mutta huomionarvoisia ominaisuuksia.
Taajuusselektiivisenä linkkinä voidaan käyttää värähtelypiiriä, jossa induktanssin sijaan sen R.C.-analoginen. Kuvassa 5.20, A Esimerkki tällaisesta analogista on esitetty. Finite Gain vahvistin TO on oltava ääretön tulo ja nolla lähtövastus. Piirin analyysi osoittaa, että sen tulo operaattorin vastus
klo K = 1 Z sisään( s) = R(3 + 4pRC + s 2 R 2 C 2). Vastaavasti sinimuotoiselle signaalille Z sisään( jω) = R(3 – ω 2 R 2 C 2) + j 4ω R 2 C. Tämä osoittaa, että tuloliittimiin nähden piiri käyttäytyy vastaavan resistanssin sarjakytkennän tavoin R eq = R(3 – ω 2 R 2 C 2) ja vastaava induktanssi L eq = 4 R 2 C. Taajuudella
piiri on ihanteellinen induktanssi, joka sisällyttämällä se värähtelevään piiriin voidaan saada kapeakaistaiseksi R.C.-suodatin ja sinivärähtelygeneraattori.
Piirin kapasiteetti KANSSA k määräytyy resonanssitaajuuden lausekkeesta:
(5.10)
(5.9) ja (5.10) vertailusta saadaan relaatio KANSSA = 12 KANSSA Vastaanottaja.
Vahvistimena TO voit käyttää emitteriseuraajaa transistoreissa (kuva 5.20, b) tai operaatiovahvistin jänniteseuraajatilassa (kuva 5.20, V). Luotujen taajuuksien alue on 0,01 Hz - 15 MHz. Resistanssin valinta R 0 saavuttaa suuren amplitudin ja hyvän tärinämuodon yhdistelmän. Kuvan kaaviossa 5.20, b vastus R 1 on tarpeen vahvistimen lepopisteen asettamiseksi; ajastuspiirin parametrien tallentamiseksi on välttämätöntä säilyttää suhde R 1 R 2 /(R 1 + R 2) = R. Vastuspari R e1 ja R e2 täyttää ehdon R e1<< R e2, otettiin käyttöön lisäämään hieman komposiittitoistimen lähetyskerrointa, jotta. määrittääkseen mahdollisimman tarkasti TO= 1. Tarkastetuille generaattoreille on ominaista harvinainen R.C.- piirit, joilla on taajuusstabiilisuus: noin 4∙10 –5 /°С.
Toinen tapa saada sinimuotoinen signaali on tuottaa suorakaiteen muotoinen (jopa parempi, kolmiomainen) signaali, jota seuraa korkeampien harmonisten vaimentaminen käyttämällä korkealaatuista kaistanpäästösignaalia. R.C.-suodattaa. Generaattoripiiri on erittäin monimutkainen, mutta mahdollistaa hyvän taajuuden ja amplitudin vakauden sekä erittäin alhaisen harmonisen sisällön.
Kristallioskillaattorit
Jos on tarpeen saada värähtelyjä, joilla on lisääntynyt taajuusstabiilisuus, käytetään kvartsioskillaattoria. Niissä resonanssipiirin roolia suorittaa kvartsiresonaattori - levy, rengas tai tanko, joka on leikattu tietyllä tavalla kvartsikiteestä. Resonaattorimateriaalilla on tarkasti määritellyt pietsosähköiset ominaisuudet, joiden ydin on eristeen polarisaatiossa mekaanisen jännityksen vaikutuksesta (suora pietsosähköinen vaikutus) ja eristeen mekaanisten muodonmuutosten esiintyminen sähkökentän vaikutuksesta (käänteinen pietsosähköinen vaikutus). Kvartsilevyn muotoutuessa sen pinnoille ilmaantuu sähkövarauksia, joiden suuruus ja merkki riippuvat muodonmuutoksen suuruudesta ja suunnasta. Sähkövarausten ilmaantuminen levyn pinnalle puolestaan aiheuttaa sen mekaanisen muodonmuutoksen . Tämän seurauksena kvartsilevyn mekaanisiin värähtelyihin liittyy sen pinnalla olevan sähkövarauksen synkronisia värähtelyjä ja päinvastoin.
Kvartsiresonaattoreilla on useita merkittäviä etuja värähteleviin piireihin verrattuna:
Paljon korkeampi laatutekijä (10 4 – 10 5) vastaavalle värähtelypiirille;
Pienet koot (mm-osaan asti);
Suuri lämpötilan stabiilisuus;
Parempi valmistettavuus johtuen siitä, että resonaattori on täydellinen monoliittinen massatuotannon tuote;
Suuri kestävyys.
Kvartsioskillaattorien haittana on kyvyttömyys säätää taajuutta laajalla alueella.
Kideoskillaattorien tyypillinen taajuusalue on 10 kHz - 300 MHz. Syntyneiden värähtelyjen taajuuden tyypillinen suhteellinen epävakaus on suuruusluokkaa 10-6, lisälämpösabilointitoimenpiteiden kanssa 10-9 asti.
Kvartsioskillaattorit ovat laajalti käytössä nykyaikaisessa radioelektroniikassa. Niitä käytetään radioviestintälaitteissa, tiedonsiirtotekniikassa, kellogeneraattoreina digitaalisissa laitteissa, taajuuden ja aikavälien tarkkaan mittaukseen.
Kvartsioskillaattorit ovat laajalti käytössä kellopiireissä. Kellokvartsiresonaattorien resonanssitaajuus on 32768 = 2 15 Hz tai 4194304 = 2 22 Hz. 15- tai 22-bittisellä binäärilaskurilla jakamisen jälkeen saadaan pulsseja, joiden jakso on 1 sekunti.
Resonaattorin vastaavan ekvivalenttipiirin tyypilliset parametrit taajuudella 4 MHz: L= 100 mH; KANSSA= 0,015 pF; R= 100 ohmia; KANSSA 0 = 5 pF.
Resonanssiparametrien määrittämiseksi kirjoitamme muistiin kvartsiresonaattorin impedanssin jättäen huomiotta pienen arvon R:
(5.11)
Lausekkeesta (5.11) käy selvästi ilmi, että on olemassa kaksi resonanssitaajuutta: sarjaresonanssitaajuus fs, joiden kanssa Z = 0:
ja rinnakkainen resonanssitaajuus f s, jossa Z = ¥:
Sarjaresonanssin taajuus riippuu vain tiukasti määritellyistä resonaattorin parametreista, ja rinnakkaisen resonanssin taajuus riippuu myös vähemmän tietystä arvosta KANSSA 0, johon vaikuttaa myös asennuskapasitanssi.
Tarvittaessa voit säätää kvartsioskillaattorin taajuutta pienissä rajoissa vaaditun taajuusarvon saavuttamiseksi. Tätä varten kvartsiresonaattorin kanssa kytketään sarjaan säätökondensaattori, jonka kapasitanssi on merkittävästi suurempi kuin kapasitanssi KANSSA. Tässä tapauksessa vain sarjaresonanssin taajuus muuttuu. Kun ohjauskondensaattori kytketään rinnan, vain rinnakkaisresonanssitaajuus muuttaa arvoaan. Muodostettuun taajuuteen vaikuttaa myös vahvistimen vastaava kapasitanssi, jolla on itse asiassa sama rooli kuin ohjauskapasitanssilla. Siksi resonaattorivalmistajat harjoittelevat resonaattorien viritystä tietyllä kuormakapasitanssin arvolla, jonka valmistaja ilmoittaa teknisissä asiakirjoissa. Todelliseen sähköpiiriin sisältyvän kvartsin resonanssitaajuus vaihtelee tietyissä rajoissa kuormituskapasitanssin eri arvoilla.
Yli 35–40 MHz:n taajuuksien tuottamiseen käytetään usein kvartsiresonaattoreiden kolmannen, viidennen ja korkeamman harmonisen värähtelyä. Nämä tiedot on yleensä merkitty valmistajan asiakirjoihin. Useimmiten käytetään kolmatta harmonista. Tyypillisesti generointi ei-perusaalloilla on vähemmän vakaata ja vakaata kuin perusharmonisilla.
 |
Sinivärähtelyn kvartsigeneraattorit rakennetaan yleensä standardien itseoskillaattoripiirien pohjalta, joissa kvartsiresonaattori on kytketty värähtelypiirin sijaan tai takaisinkytkentäpiiriin. Kuvassa 5.22, A esitetään generaattori, joka perustuu induktiiviseen kolmipistepiiriin. Transistorin kytkeminen yhteisen kantapiirin mukaan varmistaa sarjapiirin, johon resonaattori on rakennettu, alhaisen resistanssin, mikä on välttämätön edellytys sen korkealle laatutekijälle. Toinen esimerkki (kuva 5.22, b) on kapasitiiviseen kolmipistepiiriin perustuva kenttätransistorigeneraattori, jossa induktanssi korvataan kvartsiresonaattorilla.
Pulssikvartsioskillaattorit voidaan valmistaa multivibraattoreiden pohjalta, joissa aika-asettavan kapasitanssin tilalle on kytketty kvartsiresonaattori. Nykyaikaisissa digitaalisissa laitteissa käytetään useimmiten CMOS-invertteriin perustuvia kideoskillaattoreita (kuva 5.23).
 |
Viime vuosina useat yritykset ovat valmistaneet valmiina tuotteina kvartsioskillaattorit, jotka sisältävät kvartsiresonaattorin ja itseoskillaattoripiirin samassa kotelossa. Tässä tapauksessa nimellistaajuus on taattu, generaattoria ei tarvitse laskea ja konfiguroida, ja laitteen mitat ovat minimaaliset.
Kotitekoisia laitteita ja laitteita
Radiokonstruktori 2007 nro 11
Yleensä, matalataajuuksiset sinisignaaligeneraattorit rakennettu operaatiovahvistimille. Mutta logiikka portit Ne voivat toimia myös analogisessa tilassa - vahvistimina. Tätä aihetta on käsitelty kirjallisuudessa useaan otteeseen, mutta enimmäkseen nämä olivat analogisia signaalivahvistinpiirejä (matalataajuiset vahvistimet CMOS-siruilla, suoravahvistinvastaanottimet jne.). Mutta mistä tahansa vahvistimesta, jopa logiikkaelementeistä tehdystä, voidaan tehdä generaattori - se on palautetta...
Kuvassa 1 on kaavio kiinteätaajuisesta sinimuotoisesta matalataajuisesta generaattorista, joka on toteutettu kahdella K561LN2-mikropiirin loogisella invertterillä. Taajuusmuuttajat kytketään analogiseen tilaan OOS:n avulla vastuksissa R1 ja R3. joista jokainen on kytketty invertterin tulon ja lähdön väliin. Tällä tavalla saadut vahvistimet on kytketty sarjaan (kaksi porrasta) vastuksen R4 kautta. Lisäksi ensimmäisen asteen välityskerroin riippuu vastusten R1 ja R2 suhteesta. Koska nämä vastukset ovat samat, ensimmäisen asteen siirtokerroin on yhtä suuri, toisen asteen siirtokerroin määräytyy vastusten R4 ja R3 suhteen ja sitä voidaan säätää vastuksella R4.
Vastukset R1-R2 yhdessä kondensaattoreiden C1 ja C2 kanssa muodostavat Wien-sillan, joka on viritetty tietylle taajuudelle, joka määritetään hyvin tunnetulla kaavalla:
F = 1/(RC), jossa R = R1 = R2, C = C1 = C2.
Rajoittamattoman ja vääristymättömän siniaallon saamiseksi sinun on säädettävä sisäänrakennetun vastuksen R4 alla olevan vahvistimen vahvistusta vastaavasti. Tässä piirissä, kun se saa virran 9 V lähteestä, paras siniaaltomuoto saadaan, kun sen tehollinen arvo on noin 1 V.
Tämä generaattori, vaikka se on tehty logiikkaelementeillä, on puhtaasti analoginen, eikä sen lähtötuote sisällä suodatusta vaativia pulssikomponentteja tai askeljännitettä.
Kuva 2 esittää digitaalinenri 976,5625 Hz:n taajuudella (kvartsiresonaattoritaajuudella 500 kHz). Tässä suorakulmaisista pulsseista muodostetaan sinimuotoinen jännite D2-sirun elementtien ja vastusten DAC:n avulla. Jakso koostuu 32 vaiheesta. Lopullisen lähtösignaalin muodostavat operaatiovahvistin A1 ja sen lähtöön kytketty RC-piiri. joka tasoittaa portaat, jotka muodostavat sinusoidin.
Lähtösiniaallon taajuus on 512 kertaa pienempi kuin kvartsiresonaattorin tai tulopulssien taajuus, jotka ulkoisesta pulssilähteestä toimiessaan voidaan syöttää D1:n nastan 11:een. Tässä tapauksessa osat R1, R2, Q1, C1, C2 jätetään pois
Piiri on houkutteleva, koska sen avulla voit saada sinimuotoisen matalataajuisen signaalin kvartsitaajuudella.
RadioMator 2002 nro 6
Toinen yksinkertainen siniaaltogeneraattoripiiri, joka käyttää digitaalista mikropiiriä. Epätavallisesta ulkonäöstään huolimatta piiri on melko luotettava, kirjoittaja on käyttänyt sitä noin 2 vuotta.
Generaattorin pääelementti on K155LAZ-mikropiiri. Kolmen invertterin DD1.1...DD1.3 rengasliitäntä on epävakaa rakenne, joka on altis viritykselle maksimikäyttötaajuudella. Vastus R1 asettaa mikropiirin toimintapisteen lähelle kytkentäkynnystä. Koska TTL-piireissä on "kuollut alue" (jännitealue loogisen "0" ja loogisen "1" kynnysarvojen välillä), IC siirtyy aktiiviseen tilaan. L1-C1-piiri luo olosuhteet viritykselle omalla resonanssitaajuudellaan. Piirin laatukertoimella ei ole paljon väliä, piiri toimii luotettavasti myös huonolaatuisilla piireillä.
Taajuusvakaus riippuu yksinomaan piirin stabiilisuudesta ja on melko korkea. Lähtöjännitteen amplitudi riippuu piirin laatutekijästä ja voi olla 2,5 V. Maksimitaajuudella (noin 10...15 MHz) pulssien amplitudi on 2 kertaa pienempi ja mikropiiri alkaa lämmetä ylös.
Lähtösignaali voidaan poistaa sekä kelasta L1 että kondensaattorista C1. On kuitenkin parempi poistaa se kelasta, tässä tapauksessa kuormituskapasitanssilla (jopa erittäin merkittävällä) on minimaalinen vaikutus toimintataajuuteen. Tästä huolimatta on parempi kytkeä kuorma puskurin kautta. Tämä voi olla emitteri tai lähdeseuraaja, operaatiovahvistinpuskuri tai kytkentäkela - kaikki riippuu lähtötaajuudesta. On selvää, että 1 kHz:n taajuudella etusija tulisi antaa operaatiovahvistimelle ja 5 MHz:n taajuudella kytkentäkelalle.
Piirin asettaminen tarkoittaa IC:n toimintapisteen valintaa vastuksella R1. Tätä varten kytke oskilloskooppi generaattorin lähtöön ja pyörittämällä R1:tä saavuta vakaa generointi suurimmalla amplitudilla. R1 on parempi valita monikäännöstyyppi, kuten SPZ-39.
Laite on yhteensopiva kaikkien TTL- ja TTLSh-sarjan invertterien kanssa. On parempi välttää CMOS-mikropiirien käyttöä, koska kestävän tuotannon saavuttaminen niillä on lähes mahdotonta.
A.UVAROV, Belgorod.
Erilaisten vakaiden taajuuksien generaattori on välttämätön laboratoriolaitteisto. Internetissä on paljon järjestelmät, mutta ne ovat joko vanhentuneita tai eivät tarjoa riittävän laajaa taajuuksien peittoa. Tässä kuvattu laite perustuu erikoissirun korkeaan laatuun XR2206. Generaattorin kattama taajuusalue on vaikuttava: 1 Hz - 1 MHz!XR2206pystyy tuottamaan korkealaatuisia sini-, neliö- ja kolmioaaltomuotoja erittäin tarkasti ja vakaasti. Lähtösignaaleilla voi olla sekä amplitudi- että taajuusmodulaatiota.
Generaattorin parametrit
Siniaalto:
Amplitudi: 0 - 3V 9V jännitteellä
- Särö: alle 1 % (1 kHz)
- Tasaisuus: +0,05 dB 1 Hz - 100 kHz
Kanttiaalto:
Amplitudi: 8V 9V jännitteellä
- Nousuaika: alle 50 ns (1 kHz:llä)
- Putoamisaika: alle 30 ns (1 kHz:llä)
- Epätasapaino: alle 5 % (1 kHz)
Kolmiosignaali:
Amplitudi: 0 - 3 V 9 V jännitteellä
- Epälineaarisuus: alle 1 % (jopa 100 kHz)
Kaaviot ja PP
PCB-piirustukset
Karkea taajuuden säätö suoritetaan taajuusalueiden 4-asentoisella kytkimellä; (1) 1 Hz - 100 Hz, (2) 100 Hz - 20 kHz, (3) 20 kHz - 1 MHz (4) 150 kHz - 1 MHz. Huolimatta siitä, että piiri osoittaa 3 megahertsin ylärajaa, taattu maksimitaajuus on täsmälleen 1 MHz, jolloin generoitu signaali voi olla vähemmän vakaa.
Generaattorit ovat piirejä, jotka tuottavat jaksottaisia erimuotoisia värähtelyjä, kuten suorakaiteen, kolmion, sahahammas- ja sinivärähtelyjä. Generaattorit käyttävät yleensä erilaisia aktiivisia komponentteja, lamppuja tai kvartsiresonaattoreita, samoin kuin passiivisia - vastuksia, kondensaattoreita, induktoreja.
Oskillaattorit ovat kaksi pääluokkaa - rentoutuminen ja harmoninen. Relaksaatiooskillaattorit tuottavat kolmio-, saha- ja muita ei-sinimuotoisia signaaleja, eikä niitä käsitellä tässä artikkelissa. Siniaaltogeneraattorit koostuvat vahvistimista ulkoisilla komponenteilla tai komponentit voidaan asentaa samalle sirulle vahvistimen kanssa. Tässä artikkelissa käsitellään operaatiovahvistimiin perustuvia harmonisia signaaligeneraattoreita.
Harmonisia signaaligeneraattoreita käytetään vertailu- tai testigeneraattoreina monissa piireissä. Puhtaassa siniaallossa vain perustaajuus on läsnä - ihannetapauksessa muita harmonisia ei ole. Siten käyttämällä sinimuotoista signaalia laitteen sisääntuloon, voit mitata harmonisten tason sen lähdössä ja määrittää siten epälineaarisen vääristymätekijän. Relaksaatiogeneraattoreissa lähtösignaali muodostetaan sinimuotoisesta signaalista, joka summataan muodostamaan erityismuotoisia värähtelyjä.
2. Mikä on siniaaltogeneraattori
Op-amp-oskillaattorit ovat pysyviä piirejä - ei siinä mielessä, että ne olisivat vahingossa epävakaita - vaan pikemminkin ne on erityisesti suunniteltu pysymään epävakaassa tai värähtelevässä tilassa. Generaattorit ovat hyödyllisiä standardisignaalien generoimiseen, joita käytetään referenssisignaaleina sovelluksissa audioon liittyvillä aloilla, toimintogeneraattoreina, digitaalisissa järjestelmissä ja viestintäjärjestelmissä.
Generaattorit ovat kaksi pääluokkaa: sini ja rentoutus. Sinimuotoiset koostuvat vahvistimista RC- tai LC-piireillä, joilla voit muuttaa sukupolven taajuutta, tai kvartsia kiinteällä taajuudella. Relaksaatiooskillaattorit synnyttävät kolmio-, saha-, neliö-, pulssi- tai eksponentiaalisia värähtelyjä, eikä niitä käsitellä tässä.
Siniaaltogeneraattorit toimivat ilman ulkoista signaalia. Sen sijaan käytetään positiivisen tai negatiivisen takaisinkytkennän yhdistelmää ohjaamaan vahvistin epävakaaseen tilaan, jolloin lähtösignaali vaihtuu minimisyöttöjännitteestä maksimisyöttöjännitteeseen vakiojaksolla. Värähtelyjen taajuuden ja amplitudin määrää operaatiovahvistimeen kytketty aktiivisten ja passiivisten komponenttien joukko.
Op-amp-oskillaattorit rajoittuvat taajuusspektrin matalataajuiseen alueeseen, koska niiltä puuttuu laaja kaistanleveys, joka vaaditaan pienen vaihesiirron saavuttamiseksi korkeilla taajuuksilla. Jännitteen takaisinkytkentäoperaatiovahvistimet on rajoitettu kilohertsin taajuusalueelle, koska vallitseva napa takaisinkytkentäsilmukan ollessa auki voi olla melko matalalla taajuudella, kuten 10 Hz. Uudemmilla virtakytketyillä operaatiovahvistimilla on paljon suurempi kaistanleveys, mutta niitä on erittäin vaikea käyttää oskillaattoripiireissä, koska ne ovat herkkiä takaisinkytkentäkapasitanssille. Kvartsiresonaattoreilla varustettuja oskillaattoreita käytetään korkeataajuisissa piireissä jopa satojen MHz:n alueella.
3. Sukupolven syntymisen edellytykset
Värähtelyn esiintymisen olosuhteiden osoittamiseksi käytetään klassista kuvaa järjestelmästä, jolla on negatiivinen takaisinkytkentä. Kuvassa 1 on tämän järjestelmän lohkokaavio, jossa V IN on tulosignaalin jännite, V OUT on jännite vahvistinlohkon (A) lähdössä, β on takaisinkytkentäkertoimeksi kutsuttu signaali, joka syötetään takaisin. summaimeen. E edustaa virhettä, joka on yhtä suuri kuin takaisinkytkentävahvistuksen ja tulojännitteen summa.
Kuva 1. Klassinen muoto järjestelmästä, jossa on positiivinen tai negatiivinen palaute.
Vastaavat klassiset lausekkeet palautejärjestelmälle johdetaan seuraavasti. Yhtälö (1) on lähtöjännitteen ohjaava yhtälö; yhtälö (2) - vastaavalle virheelle:
V OUT = E x A (1)
E = V IN - βV OUT (2)
Ilmaisemalla ensimmäisen yhtälön E:llä ja korvaamalla sen toisella saadaan
V OUT /A = V IN - βV OUT (3)
ryhmittelemällä V OUT yhteen tasa-arvon osaan, saamme
V IN = V OUT (1/A + β) (4)
Järjestämällä yhtälön ehdot uudelleen, saadaan yhtälö (5), klassinen palautteen kuvauksen muoto:
V OUT / V IN = A / (1 + Aβ) (5)
Oskillaattorit eivät vaadi ulkoista signaalia toimiakseen, vaan ne käyttävät osaa lähtösignaalista, joka syötetään takaisin sisääntuloon takaisinkytkentäpiirin kautta.
Generaattorien värähtelyt johtuvat siitä, että takaisinkytkentäjärjestelmä ei löydä vakaata tilaa, koska siirtofunktion ehtoa ei voida täyttää. Järjestelmä muuttuu epävakaaksi, kun yhtälön (5) nimittäjä menee nollaan, ts. kun 1 + Aβ = 0 tai Aβ = -1. Avain generaattorin luomiseen on täyttää ehto Aβ = -1. Tämä on niin kutsuttu Barkhausen-kriteeri. Tämän kriteerin täyttämiseksi on välttämätöntä, että takaisinkytkentäsilmukan vahvistus on samassa vaiheessa vastaavan 180°:n vaihesiirron kanssa, kuten miinusmerkki osoittaa. Vastaava lauseke käyttäen kompleksista algebra-merkintää olisi Aβ =1∠-180° negatiiviselle takaisinkytkentäjärjestelmälle. Positiiviselle palautejärjestelmälle lauseke näyttää Aβ =1∠-0° ja termin Aβ etumerkki yhtälössä (5) on negatiivinen.
Kun vaihesiirto lähestyy 180°, ja |Aβ| --> 1, nyt epävakaan järjestelmän lähtöjännite pyrkii äärettömyyteen, mutta se rajoittuu tietysti rajallisiin arvoihin virtalähteen jännitteen rajoituksesta johtuen. Kun lähtöjännitteen amplitudi saavuttaa minkä tahansa syöttöjännitteen arvon, vahvistimien aktiiviset laitteet muuttavat vahvistusta. Tämä johtaa siihen, että A:n arvo muuttuu ja johtaa myös siihen, että Aβ siirtyy pois äärettömyydestä ja siten jännitteen muutoksen liikerata äärettömyyden suunnassa hidastuu ja lopulta pysähtyy. Tässä vaiheessa voi tapahtua yksi kolmesta asiasta:
I. Epälineaarisuus kyllästys- tai katkaisutilassa tuo järjestelmän vakaaseen tilaan ja pitää lähtöjännitteen lähellä virtalähdejännitettä.
II. Alkumuutokset ajavat järjestelmän kyllästymiseen (tai katkaisuun) ja järjestelmä pysyy tässä tilassa pitkään ennen kuin siitä tulee lineaarinen ja lähtöjännite alkaa muuttua kohti vastakkaista virtalähdettä.
III. Järjestelmä pysyy lineaarisena ja kääntää lähtöjännitteen suunnan vastakkaiseen virtalähteeseen.
Toinen vaihtoehto tuottaa erittäin vääristyneitä värähtelyjä (yleensä lähes suorakaiteen muotoisia); tällaisia generaattoreita kutsutaan rentoutumisgeneraattoreiksi. Kolmas vaihtoehto tuottaa siniaallon.
4. Generaattorien vaihesiirto
Yhtälössä Aβ =1∠-180° aktiivisten ja passiivisten komponenttien myötävaikutetaan 180°:n vaihesiirtoon. Kuten kaikki oikein suunnitellut takaisinkytkentäpiirit, oskillaattorit ovat riippuvaisia passiivisten komponenttien aiheuttamasta vaihesiirrosta, koska vaihesiirto on tarkka ja siinä ei ole juurikaan poikkeamaa. Aktiivisten komponenttien aiheuttama vaihesiirto on minimoitu, koska se on riippuvainen lämpötilasta, sillä on laaja alkutoleranssi ja se riippuu aktiivisten elementtien tyypeistä. Vahvistimet valitaan siten, että ne aiheuttavat minimaalisen vaihesiirron tai eivät lainkaan vaihesiirtoa värähtelytaajuudella. Nämä tekijät rajoittavat operaatiovahvistimen oskillaattorien toiminta-alueen suhteellisen matalille taajuuksille.
Yksilenkkeiset RL- tai RC-ketjut tuovat mukanaan jopa 90° vaihesiirron (mutta ei tarkalleen 90° - niiden vaihesiirto pyrkii 90°:een, mutta ei koskaan saavuta sitä) lenkkiä kohti, ja koska 180° vaihesiirto vaaditaan värähtelyä, käytä generaattorin suunnittelussa vähintään kahta linkkiä (koska suurin vaihesiirto pyrkii 180°:een, tarvittava vaihesiirtymän lisäys tarkkaan arvoon 180° saadaan syöttökapasitanssien ja resistanssien avulla. aktiiviset elementit). LC-piirissä on kaksi napaa ja se voi aiheuttaa 180° vaihesiirron napaa kohden. Mutta LC- ja LR-generaattoreita ei oteta huomioon tässä, koska matalataajuiset induktanssit ovat kalliita, raskaita, tilaa vieviä ja erittäin epätäydellisiä. LC-oskillaattoria käytetään suurtaajuuspiireissä operaatiovahvistimien taajuusalueen ulkopuolella, missä induktorien koolla, painolla ja hinnalla ei ole niin suurta merkitystä.
Vaihesiirto määrittää värähtelyn toimintataajuuden, koska piiri värähtelee millä tahansa taajuudella, jolla kertyy 180° vaihesiirto. Vaiheherkkyys taajuudelle, dφ/dω, määrittää taajuuden vakauden. Kun puskuroidut RC-asteet (operaatiovahvistinpuskuri tarjoaa korkean tuloimpedanssin ja pienen lähtöimpedanssin) kaskadoidaan, vaihesiirto kerrotaan portaiden lukumäärällä n (katso kuva 2).
Riisi. 2. Vaiheensiirto RC-linkeillä.
Alueella, jossa vaihesiirto on 180°, generointitaajuus on erittäin herkkä vaihesiirrolle. Siten tiukkojen taajuusvaatimusten vuoksi on välttämätöntä, että vaihesiirto dφ vaihtelee erittäin kapealla alueella niin, että taajuuden dφ muutokset ovat merkityksettömiä 180°:n vaihesiirrossa. Kuvasta 2 voidaan nähdä, että vaikka kaksi sarjaan kytkettyä RC-linkkiä tuottaa lopulta lähes 180° vaihesiirron, on dφ/dω:n arvo generointitaajuudella ei-hyväksyttävän pieni. Näin ollen oskillaattorilla, joka perustuu kahteen sarjaan kytkettyyn RC-piiriin, on huono taajuuden vakaus. Kolmella identtisellä sarjaan kytketyllä RC-suodattimella on paljon suurempi dφ/dω-suhde (katso kuva 2), mikä johtaa parantuneeseen oskillaattorin taajuuden stabiilisuuteen. Neljännen RC-linkin lisääminen luo oskillaattorin, jolla on erinomainen dφ/dω-suhde (katso kuva 2), mikä tarjoaa taajuudeltaan vakaimman RC-oskillaattoripiirin. Neljän baarin RC-piirit sisältävät maksimimäärän käytettyjä linkkejä, koska yhdessä sirupaketissa on neljä operaatiovahvistetta ja nelivaiheinen generaattori tuottaa neljä siniaaltoa, jotka ovat 45° epävaiheessa keskenään. Samaa generaattoria voidaan käyttää sini/kosinin sekä kvadratuuri- (eli 90° erolla) signaalien saamiseksi.
Kvartsi- tai keraamiset resonaattorit mahdollistavat paljon vakaampien oskillaattorien luomisen, koska resonaattoreiden dφ/dω-suhde on paljon suurempi niiden epälineaaristen ominaisuuksien vuoksi. Resonaattoreita käytetään korkeataajuisissa piireissä; resonaattoreita ei käytetä matalataajuisissa piireissä niiden suuren koon, painon ja kustannusten vuoksi. Op-vahvistimia ei yleensä käytetä kristalli- tai keraamisten resonaattoreiden kanssa, koska operaatiovahvistimilla on pieni kaistanleveys. Kokemus on osoittanut, että matalataajuisten resonaattoreiden sijaan kustannustehokkaampi tapa on käyttää suurtaajuista kideoskillaattoria, jonka lähtötaajuus tulisi jakaa n kertaiseksi vaadittuun toimintataajuuteen, ja sitten suodattaa lähtösignaalin.
5. Generaattorin vahvistus
Generaattorin vahvistuksen on oltava yhtä suuri kuin yksikkö (Aβ =1∠-180°) käyttötaajuudella. Normaaleissa olosuhteissa piiri muuttuu vakaaksi, kun vahvistus ylittää yksikön, ja sitten generointi pysähtyy. Jos vahvistus kuitenkin ylittää yksikön ja vaihesiirto on -180°, niin aktiivisten elementtien epälineaarisuus pienentää vahvistuksen yksiköksi ja generointi jatkuu. Tämä epälineaarisuus tulee tärkeäksi, jos vahvistimen lähtöjännite lähestyy yhtä syöttöjännitteistä, koska katkaisu- tai saturaatiotilassa aktiivisten elementtien (transistorien) vahvistus pienenee. Paradoksina tässä on se, että valmistettavuuden kannalta varmuuden vuoksi otetaan mukaan yksikön ylittävä vahvistus, vaikka liiallinen vahvistus johtaa sinimuotoisen signaalin vääristymisen lisääntymiseen.
Kun vahvistus on liian pieni, olosuhteet huononevat ja värähtelyt pysähtyvät, ja kun vahvistus on liian suuri, lähtöaaltomuodosta tulee enemmän neliöaaltoa kuin siniaaltoa. Särö on suora seuraus vahvistuksen lisäämisestä liikaa, vahvistimen ylikuormituksesta; Siksi vahvistusta on säädettävä erittäin huolellisesti matalasäröisissä oskillaattorissa. Vaiheensiirtopiireihin perustuvissa oskillaattorissa on myös säröä, mutta ne pienenevät lähdössä johtuen siitä, että sarjaan kytketyt RC-piirit toimivat RC-suodattimina vähentäen vääristymiä. Lisäksi puskuroiduilla vaiheensiirtooskillaattorilla on alhainen särö, koska vahvistusta ohjataan ja jaetaan puskureiden kesken.
Useimmat mallit vaativat apupiirin vahvistuksen säätämiseksi, jos halutaan matalasäröinen signaali. Apupiirit voivat käyttää epälineaarisia komponentteja takaisinkytkentäpiireissä automaattista vahvistuksen säätöä varten tai rajoittimia, joissa käytetään vastuksia ja diodeja. Myös lämpötilan ja komponenttien toleranssien muutoksista johtuva vahvistuksen vaihtelu on otettava huomioon ja piirin monimutkaisuus määritetään vaaditun vahvistuksen stabiilisuuden perusteella. Mitä vakaampi vahvistus, sitä puhtaampi siniaaltolähtö on.
6. Aktiivisen elementin (OA) vaikutus generaattoriin
Kaikissa aiemmissa keskusteluissa oletettiin, että operaatiovahvistimen kaistanleveys on äärettömän suuri ja sen lähtö on taajuudesta riippumaton. Todellisuudessa operaatiovahvistimessa on useita napoja taajuusvasteessa, mutta ne on kompensoitu siten, että niitä hallitsee yksi napa koko päästökaistalla. Siten Aβ on nyt katsottava taajuusriippuvaiseksi operaatiovahvistimen vahvistuksesta A riippuen. Yhtälö (6) näyttää tämän riippuvuuden tässä a on takaisinkytkentäsilmukan maksimivahvistus, ω a on taajuusvasteen hallitseva napa ja ω on signaalin taajuus. Kuvassa 3 on esitetty taajuus vahvistuksen ja vaiheen funktiona. Vahvistuksessa suljetulla takaisinkytkentäpiirillä A CL = 1/β ei ole napoja eikä nolla-arvoja, se on vakio taajuuden kasvaessa siihen pisteeseen, jossa vahvistus avoimella takaisinkytkentäpiirillä alkaa vaikuttaa ω 3dB:n taajuudella. Tässä signaalin amplitudi vaimenee 3 dB ja operaatiovahvistimen tuoma vaihesiirto on 45°. Amplitudi ja vaihe alkavat muuttua kymmenkunta alaspäin tästä pisteestä, 0,1 x ω 3 dB, ja vaihe jatkaa siirtymistä, kunnes se saavuttaa arvon 90° 10 ω 3 dB pisteessä, kymmenen vuotta 3 dB pisteen alapuolella. Vahvistus jatkaa laskuaan -20 dB per vuosikymmen, kunnes se saavuttaa muut navat tai nollan. Mitä suurempi suljetun silmukan vahvistus, A CL, sitä nopeammin se alkaa laskea.
(6)
Operaatiovahvistimen tuoma vaihesiirto vaikuttaa oskillaattoripiirin ominaisuuksiin vähentämällä värähtelytaajuutta, ja myös ACL ACL:n pienentäminen voi johtaa Aβ:aan.< 1, и генерация прекратится.
Riisi. 3. Operaatiovahvistimen amplitudi-taajuusvaste
Useimmat operaatiovahvistimet ovat kompensoituja ja niiden vaihesiirto voi olla suurempi kuin 45° ω 3 dB:n taajuudella. Siten operaatiovahvistin on valittava siten, että kaistanleveyden vahvistus on vähintään yksi vuosikymmentä värähtelytaajuuden yläpuolella, kuten näkyy varjostetulla alueella kuvassa 3. Wienin siltaoskillaattori vaatii kaistanleveyden vahvistuksen, joka on suurempi kuin 43 ω OSC molempien saavuttamiseksi vahvistus ja taajuus pidettiin 10 % sisällä ihanteellisesta arvosta. Kuvassa 4 esitetään vertailevat vääristymäominaisuudet eri taajuuksilla LM328-, TLV247x- ja TLC071-operaatiovahvistimille, joiden kaistanleveys on 0,4 MHz, 2,8 MHz ja 10 MHz ja joita käytetään Wienin siltaoskillaattorissa epälineaarisella takaisinkytkentäisellä (). Värähtelytaajuus vaihtelee välillä 16 Hz - 160 kHz. Kaavio osoittaa, kuinka tärkeää on valita sopiva operaatiovahvistin. LM328 saavuttaa 72 kHz:n maksimivärähtelytaajuuden yli 75 %:n vahvistuksen vähennyksellä, ja TLV247x saavuttaa 125 kHz:n 18 %:n vahvistuksen vähennyksellä. TLC071:n laaja kaistanleveys tarjoaa 138 kHz:n värähtelytaajuuden vain 2 %:n vahvistuksen vähennyksellä. Operaatiovahvistin on valittava sopivalla kaistanleveydellä, muuten värähtelytaajuus on paljon vaadittua pienempi.
Riisi. 4. Vääristymis-/taajuuskaavio operaatiovahvistimille eri kaistanleveydillä.
Suurarvovastuksia käytettäessä takaisinkytkentäpiirissä on oltava varovainen, koska ne ovat vuorovaikutuksessa operaatiovahvistimen tulokapasitanssin kanssa ja muodostavat negatiivisia takaisinkytkentänapoja sekä positiivisia takaisinkytkentänapoja ja nollia. Suuremmat vastukset voivat siirtää näitä napoja ja nollia lähemmäksi generointitaajuutta ja vaikuttaa vaihesiirtoon. Lopuksi, kiinnittäkäämme huomiota operaatiovahvistimen signaalin kiertonopeuden rajoituksiin. Signaalin muutosnopeuden on oltava suurempi kuin 2πV P f 0, jossa V P on huippujännite ja f 0 on generointitaajuus; muuten lähtösignaali vääristyy.
7. Generaattoripiirin toiminnan analyysi
Luotaessa generaattoreita eri tavoilla yhdistetään positiivinen ja negatiivinen palaute. Kuvassa 5a on esitetty perusvahvistinpiiri negatiivisella takaisinkytkellä ja lisätyllä positiivisella takaisinkytkellä. Kun käytetään sekä positiivisia että negatiivisia takaisinkytkentäsilmukoita, niiden vahvistukset yhdistetään yhdeksi yhteiseksi (suljetun takaisinkytkentäsilmukan vahvistus). Kuva 5a on yksinkertaistettu kuvioon 5b, positiivista takaisinkytkentäpiiriä edustaa β = β 2, ja seuraava analyysi on yksinkertaistettu. Kun käytetään negatiivista palautetta, positiivinen takaisinkytkentäsilmukka jätetään huomioimatta, koska β 2 on nolla.
Riisi. 5. Generaattorin lohkokaavio.
Yleiskuva operaatiovahvistimesta, jossa on positiivinen ja negatiivinen takaisinkytkentä, on esitetty kuvassa 6a. Analyysin ensimmäinen askel on katkaista silmukka jossain vaiheessa, mutta siten, että piirin vahvistus ei muutu. Positiivinen käyttöjärjestelmä on rikki merkityssä kohdassa X. Testisignaali V TEST syötetään avoimeen silmukkaan ja lähtöjännite V OUT mitataan käyttämällä kuvassa 6b esitettyä vastaavaa piiriä.
Riisi. 6. Vahvistin, jossa on positiivinen ja negatiivinen palaute.
Ensin V+ lasketaan yhtälöllä (7); V+ käsitellään sitten ei-invertoivan vahvistimen tulosignaalina, jolloin saadaan V ulos yhtälöstä (8). Korvaamalla V + yhtälöstä (7) yhtälöön (8), saadaan yhtälössä (9) oleva siirtofunktio. Reaalipiirissä elementit vaihdetaan jokaiselle impedanssille ja yhtälöä yksinkertaistetaan. Nämä yhtälöt ovat voimassa, jos avoimen silmukan vahvistus on valtava ja generointitaajuus on pienempi kuin 0,1 ω 3dB.
(7)
(8)
(9)
Vaihesiirtooskillaattorit käyttävät tyypillisesti negatiivista takaisinkytkentää niin, että positiivinen takaisinkytkentätekijä (β 2) muuttuu nollaksi. Wienin siltaoskillaattoripiirit käyttävät sekä negatiivista (β 1) että positiivista (β 2) takaisinkytkentää värähtelytilan saavuttamiseksi. Yhtälöä (9) käytetään tämän piirin yksityiskohtaiseen analysointiin (katso osa 8.1).
8. Siniaaltogeneraattoripiirit
Harmonisen signaalin generaattoripiirejä ja niiden muunnelmia on monenlaisia, käytännön toteutuksessa valinta riippuu lähtösignaalin taajuudesta ja halutusta monotonisuudesta. Päähuomio tässä osassa kiinnitetään tunnetuimpiin oskillaattoripiireihin: Wien-silta, vaihesiirto ja kvadratuuri. Siirtofunktio johdetaan tapauskohtaisesti käyttämällä tämän artikkelin osassa 6 ja viitteissä kuvattuja menetelmiä.
8.1. Wienin siltaan perustuva generaattori
Wienin siltaoskillaattori on yksi yksinkertaisimmista ja tunnetuimmista, ja sitä käytetään laajalti äänipiireissä. Kuvassa 7 on esitetty generaattorin peruspiiri. Tämän piirin etuna on käytettyjen osien pieni määrä ja hyvä taajuuden vakaus. Sen suurin haittapuoli on, että lähtösignaalin amplitudi lähestyy syöttöjännitteen arvoa, mikä johtaa operaatiovahvistimen lähtötransistorien kyllästymiseen ja aiheuttaa sen seurauksena lähtösignaalin vääristymistä. Näiden vääristymien kesyttäminen on paljon vaikeampaa kuin saada piiri synnyttämään. On olemassa useita tapoja minimoida tämä vaikutus. Näistä keskustellaan myöhemmin; ensin piiri analysoidaan siirtofunktion saamiseksi.
Riisi. 7. Wienin siltaan perustuva generaattoripiiri.
Wien-siltaoskillaattoripiirin muoto on kuvattu yksityiskohtaisesti kohdassa , ja tämän piirin siirtofunktio johdetaan käyttämällä siellä kuvattuja rakenteita. On aivan ilmeistä, että Z1 = R G, Z2 = R F, Z3 = (R1 + 1/sC1) ja Z4 = (R2 ||1/sC2). Silmukka katkeaa lähdön ja Z 1:n välillä, jännite V TEST syötetään Z1:een ja tästä lasketaan V OUT. Positiivinen takaisinkytkentäjännite V + lasketaan ensin yhtälöiden (10...12) avulla. Yhtälö (10) esittää yksinkertaisen jännitteenjakajan ei-invertoivassa sisääntulossa. Jokainen termi kerrotaan (R2C2s + 1) ja jaetaan R2:lla, jolloin saadaan yhtälö (11).
(10)
(11)
Korvaamalla s = jω 0, jossa jω 0 on generointitaajuus, jω 1 = 1/R1C2 ja jω 2 = 1/R2C1, saadaan yhtälö (12).
(12)
Mielenkiintoisia suhteita tulee nyt ilmi. Kondensaattorin nollassa, jota edustaa ω 1, ja kondensaattorin navassa, jota edustaa ω 2, on kumpikin saatava aikaan 90° vaihesiirtymä, joka on tarpeen laseroinnissa taajuudella ω 0. Tämä edellyttää, että C1 = C2 ja R1 = R2. Valitsemalla ω 1 ja ω 2 yhtälöksi ω 0, kaikki yhtälön termit, joiden taajuudet ovat ω, kumoavat, mikä ihannetapauksessa kumoaa kaikki amplitudin muutokset taajuudella, koska navat ja nollat kumoavat toisensa. Tämä johtaa kokonaispalautekertoimeen β = 1/3 (yhtälö 13)
Negatiivisen takaisinkytkentäosan vahvistus A on asetettava siten, että |Aβ| = 1, mikä edellyttää A = 3. Jotta tämä ehto täyttyy, R F:n on oltava kaksi kertaa suurempi kuin R G . Kuvan 7 operaatiovahvistin käyttää yksisyöttöjännitettä, joten on välttämätöntä käyttää referenssijännitettä V REF lähtösignaalin DC-komponentin biasoimiseksi siten, että sen amplitudi on nollan ja syöttöjännitteen välillä ja särö on minimaalinen. V REF:n käyttäminen operaatiovahvistimen positiiviseen tuloon vastuksen R2 kautta rajoittaa tasavirran virtausta negatiivisen takaisinkytkennän kautta. V REF -jännite asetettiin 0,833 volttiin lähtösignaalin tason siirtämiseksi puoleen syöttöjännitteestä, mikä johti +-2,5 voltin lähtöamplitudiin keskiarvosta (katso linkki). Käytettäessä kaksinapaista virtalähdettä V REF on maadoitettu.
Lopullinen piiri on esitetty kuvassa 8, jolloin komponenttiparametrit on valittu generointitaajuudelle ω 0 = 2πf 0, jossa f 0 = 1/(2πRC) = 1,59 kHz. Todellisuudessa piiri tuottaa 1,57 kHz:n taajuudella komponenttien vaihtelun vuoksi ja 2,8 %:n särökertoimella. Korkeampi toimintataajuus johtuu siitä, että lähtösignaali leikataan lähelle virtalähteen plus- ja miinuskohtia, mikä johtaa useisiin voimakkaisiin parillisiin ja parittoihin harmonisiin. Tässä tapauksessa takaisinkytkentävastus säädettiin +-1 % tarkkuudella. Kuva 9 esittää lähtösignaalin oskilogrammeja. Särö lisääntyy kyllästymisen kasvaessa, mikä lisääntyy vastuksen RF kasvaessa, ja generointi pysähtyy, kun vastus RF pienenee vain 0,8 %.
Riisi. 8. Wienin sillan generaattorin viimeinen piiri.
Riisi. 9. Lähtösignaalin oskilogrammit: R F:n vaikutus vääristymään.
Epälineaarisen takaisinkytkennän käyttö voi minimoida Wienin perussiltaoskillaattoripiiriin ominaisen vääristymän. Epälineaarinen komponentti, kuten hehkulamppu, voidaan korvata vastuksen R G tilalle piirissä, kuten kuvassa 10. Lampun resistanssi R LAMP valitaan yhtä suureksi kuin puolet takaisinkytkentäresistanssista RF lampun läpi kulkeva virta riippuen R F ja R LAMP . Tällä hetkellä syöttöjännite on kytketty piiriin, lamppu on vielä kylmä ja sen vastus on pieni, joten vahvistus on suuri (yli kolme). Kun virta kulkee hehkulangan läpi, se lämpenee ja sen vastus kasvaa, jolloin vahvistus pienenee. Lampun läpi kulkevan virran ja sen resistanssin välinen epälineaarinen suhde pitää lähtöjännitteen muutoksen pienenä - pieni jännitteen muutos tarkoittaa suurta vastuksen muutosta. Kuva 11 esittää tämän generaattorin lähtösignaalin, jonka särö on alle 0,1 %, kun f OSC = 1,57 kHz. Tällaisten muutosten aiheuttama särö vähenee merkittävästi verrattuna perusoskillaattoripiiriin, koska operaatiovahvistimen lähtöaste välttää vakavan kyllästymisen.
Riisi. 10. Generaattori Wien-sillalla, jossa on epälineaarinen takaisinkytkentä.
Riisi. 11. Lähtösignaali kuvan 10 piiristä.
Lampun kestävyys riippuu pääasiassa lämpötilasta. Lähtöamplitudi on erittäin herkkä lämpötilalle ja taipumus ajautua. Siksi vahvistuksen on oltava suurempi kuin kolme kompensoidakseen mahdolliset lämpötilavaihtelut, mikä johtaa lisääntyneeseen vääristymiseen. Tämäntyyppinen piiri on hyödyllinen, kun lämpötila ei muutu paljon tai kun sitä käytetään yhdessä amplitudirajoituspiirin kanssa.
Lampussa on tehokas matalataajuinen lämpöaikavakio, t lämpö. Kun generointitaajuus f OSC lähestyy termiä, lähtösignaalin särö kasvaa suuresti. Vääristymien vähentämiseksi voit käyttää useiden lamppujen sarjaliitäntää, mikä lisää t lämpöä. Tämän menetelmän haittoja ovat, että värähtelyjen stabilointiin tarvittava aika kasvaa ja lähtösignaalin amplitudi pienenee.
Automaattista vahvistuksensäätöpiiriä (AGC) tulee käyttää, jos mikään edellisistä piireistä ei tuota riittävän pientä säröä. Kaavio tyypillisestä generaattorista, jossa on AGC Wien-sillalla, on esitetty kuvassa 12; Kuva 13 esittää tämän piirin aaltomuodot. AGC:tä käytetään stabiloimaan ulostulon sinimuotoisen signaalin amplitudi optimaaliseen arvoon. Kenttätransistoria käytetään AGC-ohjauselementtinä, joka tarjoaa erinomaisen ohjauksen laajan hilajännitteestä riippuvan nielulähteen resistanssin ansiosta. Transistorin hilajännite on nolla, kun syöttöjännite on kytketty, ja vastaavasti nielulähdevastus (R DS) on pieni. Tässä tapauksessa resistanssit R G2 +R S +R DS kytketään rinnan R G1:n kanssa, mikä kasvattaa vahvistuksen arvoon 3,05, ja piiri alkaa tuottaa värähtelyjä, joiden amplitudi kasvaa vähitellen. Lähtöjännitteen noustessa signaalin negatiivinen puoliaalto avaa diodin ja kondensaattori C1 alkaa latautua, mikä antaa vakiojännitteen transistorin Q1 hilalle. Vastus R1 rajoittaa virtaa ja asettaa kondensaattorin C 1 latausaikavakion (jonka pitäisi olla paljon suurempi kuin taajuusjakso f OSC). Kun vahvistus saavuttaa kolme, lähtösignaali tasaantuu. AGC-särö on alle 0,2 %.
Kuvan 12 piirissä on V REF -esijännite kertasyöttöä varten. Zener-diodi voidaan kytkeä sarjaan diodin kanssa lähtösignaalin amplitudin vähentämiseksi ja vääristymien vähentämiseksi. Voit käyttää kaksinapaista tehoa; tätä varten sinun on kytkettävä kaikki V REF:iin johtavat johtimet yhteiseen johtoon. On olemassa laaja valikoima Wien-sillalle perustuvia oskillaattoripiirejä, joilla on tarkempi lähtösignaalin tason säätö, jolloin voit vaiheittain vaihtaa generointitaajuutta tai säätää sitä sujuvasti. Jotkut piirit käyttävät diodirajoittimia, jotka on asennettu epälineaarisiksi takaisinkytkentäkomponenteiksi. Diodit vähentävät lähtösignaalin vääristymiä rajoittamalla varovasti sen jännitettä.
Riisi. 12. Generaattori Wienin sillalla AGC:llä.
Riisi. 13. Lähtösignaali kuvan 12 piiristä.
8.2. Vaiheensiirtoon perustuva generaattori yhdellä operaatiovahvistimella.
Vaihesiirtooskillaattorit tuottavat vähemmän säröä kuin Wienin siltaoskillaattorit ja niillä on myös hyvä taajuusstabiilisuus. Tällainen oskillaattori voidaan rakentaa yhdellä operaatiovahvistimella, kuten kuvassa 14 on esitetty. Kolme RC-linkkiä on kytketty sarjaan, jotta saadaan aikaan jyrkkä dφ/dω-kaltevuus, joka tarvitaan vakaalle värähtelytaajuudelle, kuten kohdassa 3 on kuvattu. Vähemmän RC-linkkejä käytetään tuloksena on korkea värähtelytaajuus, jota rajoittaa operaatiovahvistimen kaistanleveys.
Riisi. 14. Vaiheensiirtoon perustuva generaattori yhdellä operaatiovahvistimella.
Riisi. 15. Lähtösignaali kuvan 14 piiristä.
Pääsääntöisesti oletetaan, että vaiheensiirtopiirit ovat toisistaan riippumattomia, mikä mahdollistaa yhtälön (14) johtamisen. Takaisinkytkentäsilmukan kokonaisvaihesiirto on –180°, kun taas kunkin linkin aiheuttama vaihesiirto on –60°. Tämä tapahtuu, kun ω = 2πf = 1,732/RC (rusketus 60° = 1,732...). β:n arvo tässä vaiheessa on yhtä suuri kuin (1/2) 3, joten vahvistus, A, on oltava yhtä suuri kuin 8, jotta kokonaisvahvistus on yhtä suuri kuin yksi.
(14)
Värähtelytaajuus kuvassa 14 esitetyillä komponenttiarvoilla on 3,767 kHz ja suunnittelutaajuus 2,76 kHz. Lisäksi laseroinnin synnyttämiseen vaadittava vahvistus on 27, kun taas laskettu vahvistus on 8. Tämä ero johtuu osittain komponenttiparametrien vaihtelusta, mutta päätekijänä on virheellinen oletus, että RC-linkit eivät kuormita toisiaan. Tämä piiri oli erittäin suosittu, kun aktiiviset komponentit olivat suuria ja kalliita. Mutta nyt operaatiovahvistimet ovat halpoja, pieniä ja sisältävät 4 operaatiovahvistinta yhdessä paketissa, joten yhden operaatiovahvistimen vaiheensiirtooskillaattori on menettämässä suosiotaan. Lähtösignaalin särö on 0,46 %, mikä on huomattavasti vähemmän kuin Wien-sillalle perustuvassa oskillaattoripiirissä ilman amplitudin stabilointia.
8.3 Puskuroitu oskillaattori perustuu vaihesiirtoon
Puskuroitu vaihesiirtooskillaattori on paljon parempi kuin puskuroimaton versio, mutta se maksaa enemmän komponentteja. Kuvissa 16 ja 17 on esitetty vaihesiirtoon perustuva puskuroitu oskillaattori ja sen mukainen lähtösignaali. Puskurit estävät RC-piirejä kuormittamasta toisiaan, joten puskuroidun vaihesiirtooskillaattorin parametrit ovat paljon lähempänä laskettuja taajuus- ja vahvistusarvoja. Vastus R G, joka asettaa vahvistuksen, lataa kolmannen RC-linkin. Jos puskuroit tämän linkin neljännellä operaatiovahvistimella, generaattoriparametreista tulee ihanteellisia. Pienisäröinen siniaalto voidaan tuottaa millä tahansa vaihesiirtogeneraattorilla, mutta puhtain siniaalto saadaan generaattorin viimeisen RC-osan lähdöstä. Tämä on korkean impedanssin ulostulo, joten korkea tulokuormitusimpedanssi vaaditaan ylikuormituksen ja sen seurauksena kuormitusparametrien vaihteluista johtuvien muutosten estämiseksi tuotantotaajuudessa.
Piirin värähtelytaajuus on 2,9 kHz verrattuna ihanteelliseen suunnittelutaajuuteen 2,76 kHz, vahvistus oli 8,33, mikä on lähellä suunniteltua 8:a. Särö oli 1,2 %, mikä on huomattavasti enemmän kuin puskuroimattomassa vaihegeneraattorissa. Nämä parametrien erot ja voimakkaat vääristymät johtuvat takaisinkytkentävastuksen RF suuresta arvosta, joka yhdessä operaatiovahvistimen C IN tulokapasitanssin kanssa muodostaa napan, joka on lähellä 5 kHz:n taajuutta. Vastus R G lataa edelleen viimeistä RC-linkkiä. Puskurin lisääminen viimeisen RC-linkin ja V OUT -lähdön välille vähentää vahvistusta ja värähtelytaajuutta laskettuihin arvoihin.
Riisi. 16. Puskuroitu oskillaattori perustuu vaihesiirtoon.
Riisi. 17. Piirin lähtösignaali kuvasta 17.
8.4 Bubban generaattori
Kuvassa 18 esitetty Bubba-oskillaattori on toinen vaihesiirtooskillaattori, mutta tämä hyödyntää nelioperaatiovahvistinta ainutlaatuisten etujen tarjoamiseksi. Neljä RC-linkkiä vaativat 45° vaihesiirron jokaisessa linkissä, joten tällä oskillaattorilla on erinomainen d&phi/dt, mikä johtaa minimaaliseen taajuusryömimään. Jokainen RC-osio ottaa käyttöön 45° vaihesiirron, joten poistamalla signaalin eri osista saat matalaimpedanssisen kvadratuurilähdön. Kun otat signaalit kunkin operaatiovahvistimen lähdöistä, saat neljä sinimuotoa, joiden vaihesiirto on 45°. Yhtälö (15) kuvaa takaisinkytkentäsilmukkaa. Kun ω = 1/RCs, yhtälö 15 yksinkertaistuu yhtälöiksi (16) ja (17).
(15)
(16)
Riisi. 19. Piirin lähtösignaali kuvasta 18.
Jotta sukupolvi tapahtuisi, vahvistus A tulee olla yhtä suuri kuin 4. Testipiirin värähtelytaajuus oli 1,76 kHz, suunnitteluarvon ollessa 1,72 kHz, ja siksi vahvistus oli yhtä suuri kuin 4,17 suunnitteluarvon ollessa 4. Lähtöaaltomuoto on esitetty kuvassa 19. V OUTSINE -särö on 1,1 % ja V OUTCOSINE 0,1 %. Vastusten R ja R G liitospisteestä voidaan saada sinimuotoinen signaali, jolla on erittäin pieni särö. Kun matalasäröinen signaali on otettava kaikista lähdöistä, kokonaisvahvistus on jaettava kaikkien operaatiovahvistimien kesken. 2,5 voltin bias-jännite syötetään vahvistavan op-vahvistimen ei-invertoivaan tuloon, jotta lepojännite asetetaan puoleen syöttöjännitteestä käytettäessä unipolaarista syöttöä; jos käytetään bipolaarista syöttöä, ei-invertoiva tulo tulee maadoittaa . Vahvistuksen jakaminen kaikkien operaatiovahvistimien kesken vaatii biasin soveltamista niihin, mutta tämä ei vaikuta värähtelytaajuuteen millään tavalla.
8.5 Kvadratuurigeneraattori
Kuvassa 20 esitetty kvadratuurioskillaattori on toisen tyyppinen vaihesiirtooskillaattori, mutta kolme RC-osaa on konfiguroitu siten, että jokainen osa saa aikaan 90° vaihesiirron. Tämä tarjoaa sekä sini- että kosiniulostulot (lähdöt ovat kvadratuuri, jonka vaihe-ero on 90°), mikä on selkeä etu muihin vaihesiirtoihin perustuviin generaattoreihin verrattuna. Kvadratuurigeneraattorin ideana on hyödyntää sitä tosiasiaa, että siniaallon kaksoisintegraatio johtaa signaalin käännökseen, eli signaalin vaihetta siirretään 180°. Sitten toisen integraattorin vaihe käännetään ja sitä käytetään positiivisena takaisinkytkentänä, mikä johtaa värähtelyyn.
Takaisinkytkentäsilmukan vahvistus lasketaan yhtälöllä (18). Kun R1C1 = R2C2 = R3C3, yhtälö (18) yksinkertaistuu muotoon (19). Kun ω = 1/RC, yhtälö (18) yksinkertaistuu arvoon 1∠–180, jolloin laserointi tapahtuu taajuudella ω = 2πf = 1/RC. Testipiiri värähtelee taajuudella 1,65 kHz, joka poikkeaa hieman suunnittelutaajuudesta 1,59 kHz, kuten kuvassa 21 on esitetty. Tämä ero johtuu komponenttien vaihtelusta. Molemmilla lähdöillä on suhteellisen korkea särö, jota voidaan vähentää käyttämällä AGC:tä. Sinilähdön särökerroin oli 0,846 % ja kosinilähdön 0,46 %. Vahvistuksen säätäminen voi lisätä lähtösignaalin amplitudia. Tällaisen generaattorin haittana on pienempi kaistanleveys.
(18)
(19)
Riisi. 20. Kvadratuurigeneraattoripiiri.
Riisi. 21. Lähtösignaali kuvan 20 piiristä.
9. Johtopäätös
Op-amp oskillaattorit ovat rajoitettuja toimintataajuudella, koska niillä ei ole tarvittavaa kaistanleveyttä pienen vaihesiirron saavuttamiseksi korkeilla taajuuksilla. Uudemmilla virtapalautteisilla operaatiovahvistimilla on paljon suurempi kaistanleveys, mutta niitä on erittäin vaikea käyttää oskillaattoripiireissä, koska ne ovat erittäin herkkiä takaisinkytkentäkapasitanssille. Jännitteen takaisinkytkentäoperaatiovahvistimien toiminta-alue on rajoitettu jopa satoihin kHz:iin niiden alhaisen kaistanleveyden vuoksi. Kaistanleveys pienenee, kun operaatiovahvistimet kytketään peräkkäin vaihesiirtojen moninkertaistumisesta johtuen.
Wien-siltaoskillaattori sisältää vähän komponentteja ja sillä on hyvä taajuusstabiilisuus, mutta peruspiirissä on korkea lähtösärö. AGC:n käyttö vähentää merkittävästi säröä erityisesti alemmalla taajuusalueella. Epälineaarinen takaisinkytkentä tarjoaa parhaan suorituskyvyn keski- ja korkeataajuusalueella. Vaihesiirtooskillaattorissa on korkea vääristymistaso, ja ilman puskurointia linkit vaativat suuren vahvistuksen, mikä rajoittaa sen taajuusalueen erittäin alhaiselle taajuudelle. Op-vahvistimien ja muiden komponenttien alhaisemmat hinnat ovat vähentäneet tällaisten oskillaattorien suosiota. Kvadratuurigeneraattori vaatii toimiakseen vain kaksi operaatiovahvistinta, siinä on hyväksyttävä epälineaarisen särötason taso ja sen lähdöistä voidaan saada sini- ja kosinisignaaleja. Sen haittana on lähtösignaalin alhainen amplitudi, jota voidaan lisätä käyttämällä lisävahvistusastetta, mutta tämä johtaa merkittävään kaistanleveyden pienenemiseen.
10. Linkit
- Graeme, Jerald, Op Amp Performancen optimointi, McGraw Hill Book Company, 1997.
- Gottlieb, Irving M., Practical Oscillator Handbook, Newnes, 1997.
- Kennedy, E. J., Operational Amplifier Circuits, Theory and Applications, Holt Rhienhart ja Winston, 1988.
- Philbrick Researches, Inc., Applications Manual for Computing Amplifiers, Nimrod Press, Inc., 1966.
- Graf, Rudolf F., Oscillator Circuits, Newnes, 1997.
- Graeme, Jerald, Operational Amplifiers, Third Generation Techniques, McGraw Hill Book Company, 1973.
- Single Supply Op Amp Design Techniques, Application Note, Texas Instruments Literature Number SLOA030.
Ron Mancini, Richard Palmer
