Ierosinātais sinusoidālā viļņa testa audio ģenerators ir balstīts uz Vīnes tiltu, rada ļoti zemus sinusoidālo viļņu kropļojumus un darbojas no 15 Hz līdz 22 kHz divās apakšjoslās. Divi izejas spriegumu līmeņi - no 0-250 mV un 0-2,5 V. Ķēde nepavisam nav sarežģīta un ir ieteicama montāžai pat nepieredzējušiem radioamatieriem.
Audio ģeneratora detaļu saraksts
- R1, R3, R4 = 330 omi
- R2 = 33 omi
- R5 = 50 k dubults potenciometrs (lineārs)
- R6 = 4,7k
- R7 = 47k
- R8 = 5k potenciometrs (lineārs)
- C1, C3 = 0,022 uF
- C2, C4 = 0,22uF
- C5, C6 = 47uF elektrolītiskie kondensatori (50v)
- IC1 = TL082 dubultā darbības pastiprinātājs ar ligzdu
- L1 = 28V/40mA lampa
- J1 = BNC savienotājs
- J2 = RCA ligzda
- B1, B2 = 9 V Krona
Iepriekš aprakstītā shēma ir diezgan vienkārša, un tās pamatā ir divkāršs darbības pastiprinātājs TL082, ko izmanto kā oscilatoru un bufera pastiprinātāju. Aptuveni šim tipam tiek būvēti arī rūpnieciskie analogie ģeneratori. Izejas signāls ir pietiekams pat 8 omu austiņu pievienošanai. Gaidīšanas režīmā strāvas patēriņš ir aptuveni 5 mA no katra akumulatora. Ir divi no tiem, katrs 9 volti, jo operētājsistēmas pastiprinātāja barošanas avots ir bipolārs. Ērtības labad ir uzstādīti divu veidu izvades savienotāji. Īpaši spilgtām gaismas diodēm varat izmantot 4,7 k rezistorus R6. Standarta gaismas diodēm - 1k rezistors.
Oscilogramma parāda faktisko 1 kHz izejas signālu no ģeneratora.
Ģeneratora montāža
Gaismas diode kalpo kā ierīces ieslēgšanas/izslēgšanas indikators. Attiecībā uz L1 kvēlspuldzi montāžas procesā tika pārbaudīti daudzu veidu spuldzes, un tās visas darbojās labi. Sāciet ar PCB sagriešanu vēlamajā izmērā, kodināšanu, urbšanu un montāžu.
Korpuss šeit ir pa pusei koka – pusmetāla. Izgrieziet divus collu biezus koka gabalus skapja sāniem. Izgrieziet 2 mm alumīnija plāksnes gabalu priekšējam panelim. Un balta matēta kartona gabals skalas ciparnīcai. Salieciet divus alumīnija gabalus, lai izveidotu akumulatoru turētājus, un pieskrūvējiet tos sānos.
Lai radītu sinusoidālās svārstības, ir nepieciešams, lai šaurā frekvenču joslā būtu izpildīti pašsvārstību rašanās nosacījumi - amplitūdas līdzsvars un fāzes līdzsvars. Tāpēc ģeneratora ķēdē vai nu pastiprinātājam, vai atgriezeniskās saites ķēdei jābūt skaidri definētām frekvences īpašībām. Jo īpaši augstas Q frekvenču joslas filtri ir potenciālie oscilatori. Divi visbiežāk izmantotie ģeneratoru veidi ir tie ar oscilējošām ķēdēm ( L.C.ģeneratori) un ar rezistīvi-kapacitatīvām shēmām ( R.C.- ģeneratori).
LC ģeneratori lai iegūtu sinusoidālās svārstības, filtrējošās īpašības svārstību L.C.-shēma, un zudumu kompensēšana ķēdē tiek veikta, izmantojot pastiprinātāju.
Piemērs L.C.-oscilators uz darbības pastiprinātāja ir parādīts attēlā. 5.16. Uzskatot, ka darbības pastiprinātājs ir ideāls, mēs noteiksim ģenerēšanas nosacījumus, izmantojot šīs mācību grāmatas 1.2. punktā aprakstīto pieeju. Uzrakstīsim vienādojumu saskaņā ar Kirhhofa pirmo likumu op-amp neinvertējošai ieejai:
(5.7)
Pēc iedomātās zemes principa
U 2 = U 1 R 2 /(R 1 + R 2).
Mēs izsakām no šejienes U 1, aizstāt ar (5.7) un diferencēt (5.7). Mēs iegūstam:
Tādējādi procesus ģeneratorā apraksta ar otrās kārtas diferenciālvienādojumu ar negatīvu koeficientu pie pirmā atvasinājuma. Šis ir nestabilas sistēmas vienādojums: amplitūdas līdzsvara nosacījums ir izpildīts jebkurā gadījumā. Tomēr vienādojums (5.7) ir uzrakstīts ideālai induktivitātei. Reālās svārstību ķēdēs ir zudumi, tātad attiecība R 1 /R 2 ir noregulēts, lai iegūtu stabilu pašiedrošanos. Spriegums pie op-amp izejas atšķirsies no sinusoidālā, jo svārstību amplitūda palielinās, līdz pastiprinātājs piesātinās. Spriegums uz svārstību ķēdes paliek praktiski sinusoidāls pat ar dziļu piesātinājumu, tāpēc izejas spriegums parasti tiek noņemts no svārstību ķēdes. Tomēr šādam ģeneratoram ir zema kravnesība.
Op-amp ģeneratoriem ir ierobežots frekvenču diapazons (labākajā gadījumā ne vairāk kā daži MHz), jo operētājsistēmas pastiprinātāja vienotā pastiprinājuma frekvence ir salīdzinoši zema. Augstākā frekvenču diapazonā (līdz simtiem MHz), tranzistors L.C.- ģeneratori.
Trīs visizplatītākie tranzistoru ķēžu veidi ir: L.C.-autoģeneratori: ar transformatora atgriezenisko saiti (Meisnera ķēde), induktīvo trīspunktu (Hārtlija ķēde) un kapacitatīvo trīspunktu (Colpitts ķēde). Katram tipam ir daudz iespēju, kas atšķiras ar svārstību ķēdes iekļaušanu (emitera ķēdē, kolektora ķēdē, starp emitētāju un bāzi), PIC un tranzistora savienojuma ķēdes izveidošanas metodēm (ar kopīgu emitētājs ar kopīgu bāzi). Visos gadījumos izmantoto tranzistoru strāvas pārraides ierobežojošajai frekvencei jābūt par kārtu (ieteicams vismaz 10 reizes) lielākai par ģenerēto frekvenci.
Attēlā 5.17, A Parādīts ģeneratora piemērs ar transformatora PIC.
Transformatora primārais tinums ar induktivitāti L, kopā ar kondensatoru AR veido svārstību ķēdi ar rezonanses frekvenci
Bāzes un emitētāja pretestības R b1, R b2, R e iestatiet pastiprinātāja pakāpes režīmu līdzstrāvai, kondensatoriem C b un C e samazināt OS ķēdes pretestību. Amplitūdas līdzsvara nosacījums tiek nodrošināts, kad attiecība ir izpildīta h 21e > w Uz / w b; Praksē šī nevienlīdzība tiek izpildīta ar 1,5 – 3 reizēm. Fāzes līdzsvara stāvoklis tiek nodrošināts, koordinējot tinumu ieslēgšanu.
Apskatāmā pašoscilatora ar transformatora PIC galvenais trūkums ir tas, ka ir nepieciešami divi induktori. Tāpēc praksē bieži tiek izmantotas tā saucamās trīspunktu shēmas - pašoscilatori, kuros oscilācijas ķēde ir savienota ar pārējo ķēdi trīs punktos. Šajā gadījumā atgriezeniskās saites spriegums tiek noņemts no svārstību ķēdes daļas. Ir divu veidu trīspunktu ķēdes: induktīvā trīspunktu un kapacitatīvā trīspunktu shēma. Induktīvajā trīspunktu shēmā (5.17. att., b) tika izmantota autotransformatora operētājsistēma. OS spriegums tiek noņemts no spoles augšējās daļas saskaņā ar shēmu un tiek piegādāts tranzistora pamatnei caur izolācijas kondensatoru C os, kuras pretestība pie svārstību frekvences ir niecīga. Kapacitatīvā trīspunktu ķēdē (5.17. att., V) OS signāla pārraidīšanai tiek izmantots kapacitatīvs sprieguma dalītājs, kas vienkāršo induktora konstrukciju. Šīs ģeneratora versijas iezīme ir tāda, ka tranzistors ir savienots saskaņā ar ķēdi ar kopīgu bāzi; Līdzīgs savienojums ir iespējams induktīvā trīspunktu ķēdē.
L.C.-ģeneratoriem ir salīdzinoši augsta frekvences stabilitāte (tipiskā relatīvā nestabilitāte 10 -3 – 10 -4) un bez papildu pasākumiem nodrošina zemu harmoniku līmeni, pateicoties svārstību ķēdes filtrēšanas īpašībām. Tie darbojas efektīvi frekvenču diapazonā no 100 kHz un vairāk, līdz pat simtiem MHz. Pie zemākām frekvencēm oscilācijas ķēdes kvalitātes koeficients samazinās, un induktīvo elementu izmēri palielinās. Frekvences regulēšana svārstību ķēdēs ir sarežģīta. Turklāt tinumu izstrādājumi ir zemu tehnoloģiju masveida ražošanā, un no dizaina viedokļa tie labi neatbilst mūsdienu mikroelektroniskajām iekārtām. Tāpēc frekvenču diapazonā zem 10 6 Hz ir kļuvuši plaši izplatīti ģeneratori ar frekvences selektīvām RC shēmām.
RC ģeneratori Tos raksturo vienkāršība un zemas izmaksas, mazs svars un izmēri, kā arī spēja radīt svārstības ar frekvenci, kas ir daļa no Hz. Viņu priekšrocības salīdzinājumā ar L.C.- ģeneratori parādās, jo gaišāki, jo zemāka ir frekvence. Tomēr stabilitātes ziņā tie ir nedaudz zemāki L.C.- ģeneratori.
Divi visplašāk zināmie veidi ir R.C.- ģeneratori: ar fāzes nobīdes ķēdi (5.18. att., A) un ar Vīnes tiltu (5.18. att., b).
 |
Ģeneratorā saskaņā ar shēmu attēlā. 5.18, A fāzes nobīdes ķēdei ir kāpņu struktūra. Katra saite rada fāzes nobīdi, kas ir mazāka par 90°, tāpēc, lai sasniegtu 180°, ir nepieciešamas vismaz trīs saites. Pašsvārstību frekvence, kas atbilst fāzes nobīdes leņķim tieši 180°, ir vienāda ar
. Šajā frekvencē OS ķēdes pārraides koeficienta modulis ir 1/29. Tāpēc op-amp vietā var izmantot jebkuru invertējošu pastiprinātāju ar pastiprinājumu vismaz 29, piemēram, viena tranzistora pastiprinātāja pakāpi. Ģeneratoram ar Wien tiltu ir divas atgriezeniskās saites ķēdes. PIC ķēdei ir sarežģīts pārraides koeficients
(5.8)
Kā redzams no (5.8), PIC ķēde nodrošina nulles fāzes nobīdi pie frekvences ω 0 = 1/ R.C., kas saskaņā ar fāzes līdzsvara nosacījumu nosaka ģenerēšanas frekvenci. Pārraides koeficienta modulis šajā frekvencē ir 1/3. Tāpēc, lai izpildītu amplitūdas līdzsvara nosacījumu, OOS ķēde, kas ir bezinerces sprieguma dalītājs R1-R2, pārraides koeficientam jābūt nedaudz mazākam par 1/3.
Visu kopējais trūkums R.C.- ģeneratori ir tādi R.C.- ķēdes nepiemīt, piemēram L.C.- ķēdes ar izteiktu frekvences selektivitāti. Tāpēc ģenerēšanas nosacījumi tiek izpildīti plašā frekvenču diapazonā. Tā kā amplitūdas līdzsvara nosacījums ir jāizpilda absolūti precīzi UZ plkst UZ os = 1 nav iespējams, tad ar nelielu cilpas pastiprinājuma samazināšanos, kas ir mazāka par vienību, svārstības slāpēsies, un, ja svārstību amplitūda ir nedaudz pārsniegta, svārstību amplitūda palielināsies, līdz pastiprinātājs sasniegs piesātinājuma apgabalu. , pēc kura svārstību forma ļoti atšķirsies no sinusoidālās. Līdzīga lieta notiek iekšā L.C.-ģenerators, bet tur augstākās harmonikas tiek nomāktas ar svārstību ķēdi. IN R.C.-ģeneratori, lai nodrošinātu minimālu izkropļojumu, ir nepieciešams ieviest atgriezenisko saiti par svārstību amplitūdu.
Sinusoidālā signāla izkropļojumu pakāpi parasti novērtē, izmantojot nelineāro kropļojumu faktors vai izmantojot harmoniskie kropļojumi.
Harmonisko kropļojumu faktors UZ NI ir vienāds ar izejas signāla augstāko harmoniku vidējās kvadrātiskās summas attiecību pret visu tā harmoniku vidējo kvadrātsummu. Harmonisks kropļojums UZГ ir vienāds ar izejas signāla augstāko harmoniku vidējās kvadrātiskās summas attiecību pret pirmās harmonikas spriegumu:
Kur A i – amplitūda i th harmonikas.
Daudzumi UZ NI un UZ G ir saistīti ar attiecību:
Pie zema izkropļojuma līmeņa abi rādītāji ir gandrīz identiski.
Izkropļojumi ar UZ NE vairāk kā 3% ir pamanāmi ar ausi, bet 5% ir pamanāmi osciloskopa ekrānā.
Viena no metodēm, kā samazināt nelineāros kropļojumus ģeneratorā, ir pastiprinātāja pārklāšana ar papildu nelineāru atgriezenisko saiti, piemēram, izmantojot Zener diodes (attēls 5.18. parādīts ar punktētu līniju, b). Kad svārstību amplitūda palielinās līdz līmenim, kurā sākas Zenera diodes sadalījums, rezistors tiek šunts R 1, kā rezultātā palielinās atgriezeniskās saites dziļums, tāpēc sprieguma pieaugums samazinās un amplitūda stabilizējas.
Vēl viens risinājums ir nomainīt rezistoru R 2 elements ar no temperatūras atkarīgu pretestību (pusvadītāju termistors ar pozitīvu TCR vai mikrojaudas kvēlspuldze). Palielinoties izejas sprieguma amplitūdai, palielinās šī elementa izkliedētā jauda, tāpēc palielinās pretestība, kas izraisa negatīvās atgriezeniskās saites dziļuma palielināšanos. Tā kā šajā iemiesojumā nelineārie elementi ķēdē netiek ievadīti, formas izkropļojumi ir ļoti mazi (apmēram 0,5%). Šī risinājuma trūkums ir signāla amplitūdas atkarība no apkārtējās vides temperatūras.
Radot precizitāti R.C.-ģeneratoriem (piemēram, sinusoidālo signālu mērīšanas ģeneratoros), stingras prasības harmonikas saturam un amplitūdas stabilitātei var panākt, ieviešot atsevišķu amplitūdas atgriezeniskās saites ķēdi (5.19. att.). Stabilizācijas princips ir balstīts uz faktu, ka lauka tranzistors pie zema drenāžas avota sprieguma darbojas kā kontrolēta pretestība. Elementi VD2, C1, R3 veido pusviļņu taisngriezi ar filtru, Zenera diodi VD1 nodrošina lielāku jutību pret amplitūdas izmaiņām. Sākotnējā brīdī pēc strāvas ieslēgšanas kondensators C1 izlādējies. Pretestība R 1 , R 2 un drenāžas avota pretestība R SI lauka efekta tranzistors VT1 atlasīts tā, lai nosacījums būtu izpildīts
R 1 /(R 2 + R ci) > 2, savukārt ķēdē pēc strāvas ieslēgšanas rodas pieaugošas svārstības. Kad svārstību amplitūda sāk pārsniegt Zenera diodes pārrāvuma spriegumu VD1, uz kondensatora C1 parādās negatīvas polaritātes spriegums, kas izraisa pieaugumu R si un līdz ar to transmisijas koeficienta palielināšanai OOS ķēdē. Tā rezultātā stabilizējas svārstību amplitūda.
Apsvērtās būvniecības metodes R.C.- sinusoidālo svārstību ģeneratorus var saukt par tradicionāliem. Tiek izmantotas arī vairākas citas metodes - retāk sastopamas, bet ar ievērības cienīgām iezīmēm.
Kā frekvences selektīvo saiti var izmantot oscilācijas ķēdi, kurā induktivitātes vietā tās R.C.-analogs. Attēlā 5.20, A Parādīts šāda analoga piemērs. Ierobežotā pastiprinājuma pastiprinātājs UZ jābūt bezgalīgai ieejas un nulles izejas pretestībai. Ķēdes analīze parāda, ka tās ievades operatora pretestība
Plkst K = 1 Z iekš ( lpp) = R(3 + 4pRC + lpp 2 R 2 C 2). Attiecīgi sinusoidālajam signālam Z iekš ( jω) = R(3 – ω 2 R 2 C 2) + j 4ω R 2 C. Tas parāda, ka attiecībā pret ieejas spailēm ķēde darbojas kā līdzvērtīgas pretestības virknes savienojums R vienāds = R(3 – ω 2 R 2 C 2) un līdzvērtīga induktivitāte L vienāds = 4 R 2 C. Biežumā
ķēde ir ideāla induktivitāte, kuru, iekļaujot to svārstību ķēdē, var iegūt kā šaurjoslas R.C.-filtrs un sinusoidālo svārstību ģenerators.
Ķēdes jauda AR k tiek noteikts no rezonanses frekvences izteiksmes:
(5.10)
Salīdzinot (5.9) un (5.10), iegūstam sakarību AR = 12 AR Uz.
Kā pastiprināšanas pastiprinātājs UZ tranzistoriem varat izmantot emitera sekotāju (5.20. att., b) vai op-amp sprieguma sekotāja režīmā (5.20. att., V). Ģenerēto frekvenču diapazons ir no 0,01 Hz līdz 15 MHz. Pretestības izvēle R 0 panāk lielas amplitūdas un labas vibrācijas formas kombināciju. Attēla diagrammā. 5.20, b rezistors R 1 ir nepieciešams, lai iestatītu pastiprinātāja atpūtas punktu; lai saglabātu laika shēmas parametrus, ir jāsaglabā attiecība R 1 R 2 /(R 1 + R 2) = R. Pretestību pāris R e1 un R e2 atbilst nosacījumam R e1<< R e2, tika ieviesti, lai nedaudz palielinātu saliktā atkārtotāja pārraides koeficientu, lai. lai pēc iespējas precīzāk noteiktu UZ= 1. Aplūkotos ģeneratorus raksturo reti R.C.- ķēdes ar frekvences stabilitāti: apmēram 4∙10 –5 /°С.
Vēl viens veids, kā iegūt sinusoidālu signālu, ir ģenerēt taisnstūrveida (vēl labāk, trīsstūrveida) signālu, kam seko augstāku harmoniku slāpēšana, izmantojot augstas kvalitātes frekvenču joslas signālu. R.C.-filtrs. Ģeneratora ķēde ir ļoti sarežģīta, taču nodrošina labu frekvences un amplitūdas stabilitāti, kā arī ļoti zemu harmoniku saturu.
Kristāla oscilatori
Ja nepieciešams iegūt svārstības ar paaugstinātu frekvences stabilitāti, tiek izmantoti kvarca oscilatori. Tajos rezonanses ķēdes lomu pilda kvarca rezonators - no kvarca kristāla noteiktā veidā izgriezta plāksne, gredzens vai stienis. Rezonatora materiālam ir skaidri noteiktas pjezoelektriskās īpašības, kuru būtība ir dielektriķa polarizācijā mehāniskās spriedzes ietekmē (tiešais pjezoelektriskais efekts) un dielektriķa mehānisko deformāciju rašanās elektriskā lauka ietekmē (apgrieztā veidā). pjezoelektriskais efekts). Deformējot kvarca plāksni, uz tās virsmām parādās elektriskie lādiņi, kuru lielums un zīme ir atkarīga no deformācijas lieluma un virziena. Savukārt elektrisko lādiņu parādīšanās uz plāksnes virsmas izraisa tās mehānisko deformāciju . Rezultātā kvarca plāksnes mehāniskās vibrācijas pavada elektriskā lādiņa sinhronās vibrācijas uz tās virsmas un otrādi.
Kvarca rezonatoriem ir vairākas būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar svārstībām:
Daudz augstāks līdzvērtīgās svārstību ķēdes kvalitātes koeficients (10 4 – 10 5);
Mazie izmēri (līdz mm daļām);
Lieliska temperatūras stabilitāte;
Labāka izgatavojamība, jo rezonators ir pilnīgs monolīts masveida ražošanas produkts;
Lieliska izturība.
Kvarca oscilatoru trūkums ir nespēja pielāgot frekvenci plašā diapazonā.
Kristāla oscilatoru raksturīgais frekvenču diapazons ir no 10 kHz līdz 300 MHz. Tipiskā ģenerēto svārstību frekvences relatīvā nestabilitāte ir 10-6, veicot papildu termiskās stabilizācijas pasākumus - līdz 10-9.
Kvarca oscilatori tiek plaši izmantoti mūsdienu radioelektronikā. Tos izmanto radiosakaru iekārtās, datu pārraides tehnoloģijā, kā pulksteņu ģeneratorus digitālajās ierīcēs, precīzai frekvences un laika intervālu mērīšanai.
Kvarca oscilatorus plaši izmanto pulksteņu shēmām. Pulksteņa kvarca rezonatoru rezonanses frekvence ir 32768 = 2 15 Hz vai 4194304 = 2 22 Hz. Pēc dalīšanas 15 vai 22 bitu binārajā skaitītājā tiek iegūti impulsi ar periodu 1 sekunde.
Tipiski 4 MHz rezonatora ekvivalentās ķēdes parametri: L= 100 mH; AR= 0,015 pF; R= 100 omi; AR 0 = 5 pF.
Lai noteiktu rezonanses parametrus, mēs pierakstām kvarca rezonatora pretestību, neņemot vērā mazo vērtību R:
(5.11)
No izteiksmes (5.11) ir skaidrs, ka ir divas rezonanses frekvences: virknes rezonanses frekvence fs, ar kuru Z = 0:
un paralēlās rezonanses frekvence f lpp, kurā Z = ¥:
Sērijas rezonanses frekvence ir atkarīga tikai no stingri noteiktiem rezonatora parametriem, un paralēlās rezonanses frekvence ir atkarīga arī no mazāk noteiktas vērtības AR 0, ko ietekmē arī montāžas kapacitāte.
Ja nepieciešams, varat noregulēt kvarca oscilatora frekvenci nelielās robežās, lai sasniegtu nepieciešamo frekvences vērtību. Lai to izdarītu, ar kvarca rezonatoru virknē tiek savienots regulēšanas kondensators, kura kapacitāte ir ievērojami lielāka par kapacitāti AR. Šajā gadījumā mainās tikai sērijas rezonanses frekvence. Paralēli pieslēdzot vadības kondensatoru, tā vērtību maina tikai paralēlā rezonanses frekvence. Ģenerēto frekvenci ietekmē arī pastiprinātāja līdzvērtīgā kapacitāte, kas faktiski spēlē tādu pašu lomu kā vadības kapacitāte. Tāpēc rezonatoru ražotāji praktizē rezonatoru skaņošanu pie noteiktas slodzes kapacitātes vērtības, ko ražotājs norāda tehniskajā dokumentācijā. Reālā elektriskā ķēdē iekļautā kvarca rezonanses frekvence dažādās slodzes kapacitātes vērtībās mainīsies noteiktās robežās.
Lai ģenerētu frekvences virs 35–40 MHz, bieži tiek izmantotas kvarca rezonatoru trešās, piektās un augstākas harmonikas svārstības. Šī informācija parasti ir norādīta ražotāja dokumentācijā. Visbiežāk tiek izmantota trešā harmonika. Parasti ģenerēšana uz ne-fundamentālām harmonikām ir mazāk stabila un stabila nekā uz pamata harmoniku.
 |
Sinusoidālo svārstību kvarca ģeneratori parasti tiek būvēti uz standarta pašoscilatoru ķēžu bāzes, kurās oscilācijas ķēdes vietā vai atgriezeniskās saites ķēdē ir pievienots kvarca rezonators. Attēlā 5.22, A parādīts ģenerators, kura pamatā ir induktīva trīspunktu ķēde. Tranzistora pieslēgšana saskaņā ar kopēju bāzes ķēdi nodrošina virknes ķēdes, kurā ir iebūvēts rezonators, zemu pretestību, kas ir nepieciešams nosacījums tā augstajam kvalitātes faktoram. Vēl viens piemērs (5.22. att., b) ir lauka efekta tranzistoru ģenerators, kura pamatā ir kapacitatīvā trīspunktu ķēde, kurā induktivitāte tiek aizstāta ar kvarca rezonatoru.
Impulsu kvarca oscilatorus var izgatavot uz multivibratoru bāzes, kuros laika iestatīšanas kapacitātes vietā ir pievienots kvarca rezonators. Mūsdienu digitālajās ierīcēs visbiežāk tiek izmantoti kristāla oscilatori, kuru pamatā ir CMOS invertori (5.23. att.).
 |
Pēdējos gados vairāki uzņēmumi ir ražojuši kvarca oscilatorus kā gatavus izstrādājumus, kas satur kvarca rezonatoru un pašoscilatora ķēdi vienā korpusā. Šajā gadījumā tiek garantēta nominālā frekvence, nav jāaprēķina un jākonfigurē ģenerators, un ierīcei ir minimāli izmēri.
Pašdarinātas ierīces un aprīkojums
Radiokonstruktors 2007 Nr.11
Parasti, zemfrekvences sinusoidālo signālu ģeneratori būvēts uz operatīvajiem pastiprinātājiem. Bet loģikas vārti Tie var darboties arī analogajā režīmā - kā pastiprinātāji. Šī tēma ir vairākkārt skarta literatūrā, taču pārsvarā tās bija analogo signālu pastiprinātāju shēmas (zemfrekvences pastiprinātāji uz CMOS mikroshēmām, tiešā pastiprinājuma uztvērēji u.c.). Bet jebkuru pastiprinātāju, pat tādu, kas izgatavots no loģiskiem elementiem, var pārvērst par ģeneratoru - tas viss ir saistīts ar atgriezenisko saiti...
1. attēlā parādīta fiksētas frekvences sinusoidāla zemfrekvences ģeneratora diagramma, kas ieviesta uz diviem K561LN2 mikroshēmas loģiskajiem invertoriem. Invertori tiek pārslēgti uz analogo režīmu, izmantojot OOS uz rezistoriem R1 un R3. no kuriem katrs ir savienots starp invertora ieeju un izeju. Šādā veidā iegūtie pastiprinātāji ir savienoti virknē (kā divi posmi) caur rezistoru R4. Turklāt pirmā posma pārraides koeficients ir atkarīgs no pretestību R1 un R2 attiecības. Tā kā šie rezistori ir vienādi, tad pirmās pakāpes pārraides koeficients ir vienāds ar vienību Otrās pakāpes pārraides koeficientu nosaka pretestību R4 un R3 attiecība, un to var regulēt ar rezistoru R4.
Rezistori R1-R2 kopā ar kondensatoriem C1 un C2 veido Vīnes tiltu, kas noregulēts uz noteiktu frekvenci, ko nosaka pēc labi zināmās formulas:
F=1/(RC), kur R=R1=R2, C=C1=C2.
Lai iegūtu neierobežotu un neizkropļotu sinusoidālo vilni, ir nepieciešams attiecīgi pielāgot pastiprinātāja pastiprinājumu zem iebūvētā rezistora R4. Šajā shēmā, kad tiek darbināta no 9V avota, vislabākā sinusoidālā viļņa forma tiek iegūta, ja tā efektīvā vērtība ir aptuveni 1V.
Šis ģenerators, lai gan izgatavots uz loģiskiem elementiem, ir tīri analogs, un tā izvades produkts nesatur impulsa komponentus vai pakāpiena spriegumu, kam nepieciešama filtrēšana.
2. attēlā parādīts digitālā kvarca sinusoidālā viļņa oscilatora ķēde, ģenerējot sinusoidālu spriegumu ar frekvenci 976,5625 Hz (ar kvarca rezonatora frekvenci 500 kHz). Šeit no taisnstūrveida impulsiem tiek veidots sinusoidālais spriegums, izmantojot DAC uz D2 mikroshēmas elementiem un rezistoriem. Periods sastāv no 32 soļiem. Galīgo izejas signālu ģenerē darbības pastiprinātājs A1 un tā izejā pievienotā RC ķēde. kas izlīdzina pakāpienus, kas veido sinusoīdu.
Izejas sinusoīda frekvence būs 512 reizes zemāka par kvarca rezonatora vai ieejas impulsu frekvenci, kas, darbojoties no ārēja impulsa avota, var tikt piegādāta uz D1 kontaktu 11. Šajā gadījumā daļas R1, R2, Q1, C1, C2 ir izslēgtas
Ķēde ir pievilcīga, jo ļauj iegūt sinusoidālu zemfrekvences signālu ar kvarca frekvences stabilitāti.
RadioMator 2002 Nr.6
Vēl viena vienkārša sinusoidālā viļņa ģeneratora shēma, izmantojot digitālo mikroshēmu. Neskatoties uz neparasto izskatu, ķēde ir diezgan uzticama, autors to izmanto apmēram 2 gadus.
Ģeneratora galvenais elements ir mikroshēma K155LAZ. Trīs invertoru DD1.1...DD1.3 gredzenveida savienojums ir nestabila struktūra, kas ir pakļauta ierosmei pie maksimālās darbības frekvences. Rezistors R1 iestata mikroshēmas darbības punktu tuvu pārslēgšanas slieksnim. Sakarā ar “mirušās zonas” klātbūtni TTL ķēdēs (sprieguma diapazons starp loģiskā “0” un loģiskā “1” sliekšņiem), IC pāriet aktīvajā režīmā. L1-C1 ķēde rada apstākļus ierosmei savā rezonanses frekvencē. Ķēdes kvalitātes faktoram nav lielas nozīmes, ķēde darbojas droši pat ar zemas kvalitātes shēmām.
Frekvences stabilitāte ir atkarīga tikai no ķēdes stabilitātes un ir diezgan augsta. Izejas sprieguma amplitūda ir atkarīga no ķēdes kvalitātes faktora un var sasniegt 2,5 V. Pie maksimālās frekvences (apmēram 10...15 MHz) impulsu amplitūda ir 2 reizes mazāka, un mikroshēma sāk uzkarst. uz augšu.
Izejas signālu var noņemt gan no spoles L1, gan no kondensatora C1. Tomēr labāk to noņemt no spoles, slodzes kapacitātei (pat ļoti nozīmīgai) ir minimāla ietekme uz darbības frekvenci. Neskatoties uz to, labāk ir savienot slodzi, izmantojot buferi. Tas var būt emitētājs vai avota sekotājs, op-amp buferis vai savienojuma spole - tas viss ir atkarīgs no izejas frekvences. Acīmredzot, ja frekvence ir 1 kHz, priekšroka jādod operācijas pastiprinātājam, bet pie 5 MHz - savienojuma spolei.
Ķēdes iestatīšana ir atkarīga no IC darbības punkta izvēles, izmantojot rezistoru R1. Lai to izdarītu, pievienojiet osciloskopu ģeneratora izejai un, pagriežot R1, panākiet stabilu ģenerēšanu ar maksimālo amplitūdu. R1 ir labāk izvēlēties vairāku apgriezienu tipu, piemēram, SPZ-39.
Ierīce ir saderīga ar jebkuru TTL un TTLSh sērijas invertoru. Labāk ir izvairīties no CMOS mikroshēmu lietošanas, jo uz tiem ir gandrīz neiespējami panākt ilgtspējīgu ražošanu.
A.UVAROV, Belgoroda.
Nepieciešams laboratorijas aprīkojums ir dažādu stabilu frekvenču ģenerators. Internetā ir daudz shēmas, taču tās ir vai nu novecojušas, vai nenodrošina pietiekami plašu frekvenču pārklājumu. Šeit aprakstītā ierīce ir balstīta uz specializētas mikroshēmas augsto kvalitāti XR2206. Ģeneratora aptverto frekvenču diapazons ir iespaidīgs: 1 Hz - 1 MHz!XR2206spēj radīt augstas kvalitātes sinusa, kvadrātveida un trīsstūrveida viļņu formas ar augstu precizitāti un stabilitāti. Izejas signāliem var būt gan amplitūdas, gan frekvences modulācija.
Ģeneratora parametri
Sinusoidālais vilnis:
Amplitūda: 0 - 3V ar 9V barošanu
- kropļojumi: mazāk nekā 1% (1 kHz)
- Plakanums: +0,05 dB 1 Hz - 100 kHz
Kvadrātveida vilnis:
Amplitūda: 8V ar 9V barošanu
- pieauguma laiks: mazāks par 50 ns (pie 1 kHz)
- Krišanas laiks: mazāks par 30 ns (pie 1 kHz)
- Nelīdzsvarotība: mazāk nekā 5% (1 kHz)
Trīsstūra signāls:
Amplitūda: 0 - 3 V ar 9 V barošanu
- Nelinearitāte: mazāka par 1% (līdz 100 kHz)
Shēmas un PP
PCB rasējumi
Aptuvenu frekvences regulēšanu veic, izmantojot 4 pozīciju slēdzi frekvenču diapazoniem; (1) 1 Hz–100 Hz, (2) 100 Hz–20 kHz, (3) 20 kHz–1 MHz (4) 150 kHz–1 MHz. Neskatoties uz to, ka ķēdē ir norādīta augšējā robeža 3 megaherci, garantētā maksimālā frekvence ir tieši 1 MHz, tad ģenerētais signāls var būt mazāk stabils.
Ģeneratori ir ķēdes, kas rada dažādu formu periodiskas svārstības, piemēram, taisnstūra, trīsstūrveida, zāģa zoba un sinusa. Ģeneratoros parasti izmanto dažādas aktīvās sastāvdaļas, lampas vai kvarca rezonatorus, kā arī pasīvos - rezistorus, kondensatorus, indukcijas.
Ir divas galvenās oscilatoru klases - relaksācijas un harmonikas. Relaksācijas oscilatori rada trīsstūra, zāģa zoba un citus nesinusoidālus signālus, un tie nav aplūkoti šajā rakstā. Sinusoidālā viļņa ģeneratori sastāv no pastiprinātājiem ar ārējiem komponentiem, vai arī komponentus var uzstādīt uz tās pašas mikroshēmas, kur pastiprinātājs. Šajā rakstā ir apskatīti harmonisko signālu ģeneratori, kuru pamatā ir darbības pastiprinātāji.
Harmonisko signālu ģeneratori tiek izmantoti kā atsauces vai testa ģeneratori daudzās ķēdēs. Tīrā sinusoidālā viļņā ir tikai pamata frekvence - ideālā gadījumā citu harmoniku nav. Tādējādi, pieliekot sinusoidālu signālu ierīces ieejai, jūs varat izmērīt harmoniku līmeni tās izejā, tādējādi nosakot nelineāro kropļojumu koeficientu. Relaksācijas ģeneratoros izejas signālu veido no sinusoidāla signāla, kas tiek summēts, veidojot īpašas formas svārstības.
2. Kas ir sinusoidālā viļņa ģenerators
Op-amp oscilatori ir stabilas ķēdes — ne tādā nozīmē, ka tās būtu nejauši nestabilas —, bet drīzāk tie ir īpaši izstrādāti, lai paliktu nestabilā vai svārstīgā stāvoklī. Ģeneratori ir noderīgi standarta signālu ģenerēšanai, ko izmanto kā atsauces signālus lietojumiem ar audio saistītās jomās, kā funkciju ģeneratorus, digitālās sistēmās un sakaru sistēmās.
Ir divas galvenās ģeneratoru klases: sinusa un relaksācijas. Sinusoidālie sastāv no pastiprinātājiem ar RC vai LC shēmām, ar kuru palīdzību var mainīt ģenerēšanas frekvenci, vai kvarca ar fiksētu frekvenci. Relaksācijas oscilatori rada trīsstūrveida, zāģa zoba, kvadrātveida, impulsa vai eksponenciālas svārstības, un tie šeit netiek apspriesti.
Sinusoidālā viļņa ģeneratori darbojas bez ārējā signāla piegādes. Tā vietā tiek izmantota pozitīvas vai negatīvas atgriezeniskās saites kombinācija, lai virzītu pastiprinātāju nestabilā stāvoklī, izraisot izejas signāla ciklu no minimālā līdz maksimālajam barošanas spriegumam ar nemainīgu periodu. Svārstību frekvenci un amplitūdu nosaka aktīvo un pasīvo komponentu kopums, kas savienots ar darbības pastiprinātāju.
Op-amp oscilatori ir ierobežoti līdz frekvenču spektra zemo frekvenču diapazonam, jo tiem trūkst plaša joslas platuma, kas nepieciešams, lai sasniegtu zemu fāzes nobīdi augstās frekvencēs. Sprieguma atgriezeniskās saites darbības pastiprinātāji ir ierobežoti līdz kilohercu frekvenču diapazonam, jo dominējošais pols, kad atgriezeniskās saites cilpa ir atvērta, var būt diezgan zemā frekvencē, piemēram, 10 Hz. Jaunākiem ar strāvu savienotajiem darbības pastiprinātājiem ir daudz lielāks joslas platums, taču tos ir ļoti grūti izmantot oscilatoru shēmās, jo tie ir jutīgi pret atgriezeniskās saites kapacitāti. Oscilatori ar kvarca rezonatoriem tiek izmantoti augstfrekvences shēmās līdz pat simtiem MHz.
3. Nosacījumi, lai rastos
Lai demonstrētu svārstību rašanās apstākļus, tiek izmantots klasisks sistēmas attēls ar negatīvu atgriezenisko saiti. 1. attēlā parādīta šīs sistēmas blokshēma, kur V IN ir ieejas signāla spriegums, V OUT ir spriegums pastiprinātāja bloka (A) izejā, β ir signāls, ko sauc par atgriezeniskās saites koeficientu, kas tiek padots atpakaļ. uz papildinātāju. E apzīmē kļūdu, kas vienāda ar atgriezeniskās saites pastiprinājuma un ieejas sprieguma summu.
1. attēls. Sistēmas klasiskā forma ar pozitīvu vai negatīvu atgriezenisko saiti.
Attiecīgās klasiskās izteiksmes atgriezeniskās saites sistēmai ir iegūtas šādi. Vienādojums (1) ir izejas sprieguma regulējošais vienādojums; vienādojums (2) - atbilstošajai kļūdai:
V OUT = E x A (1)
E = V IEKŠĒJS - βV OUT (2)
Izsakot pirmo vienādojumu ar E un aizstājot to ar otro, mēs iegūstam
V OUT /A = V IN - βV OUT (3)
grupējot V OUT vienā vienādības daļā, iegūstam
V IN = V OUT (1/A + β) (4)
Pārkārtojot vienādības nosacījumus, iegūstam (5) vienādojumu, klasisko atgriezeniskās saites aprakstīšanas formu:
V OUT / V IN = A / (1 + Aβ) (5)
Oscilatoriem nav nepieciešams ārējs signāls, tā vietā tie izmanto daļu no izejas signāla, kas tiek padots atpakaļ uz ieeju caur atgriezeniskās saites ķēdi.
Svārstības ģeneratoros rodas no tā, ka atgriezeniskās saites sistēma nespēj atrast stabilu stāvokli, jo nevar izpildīt pārneses funkcijas nosacījumu. Sistēma kļūst nestabila, kad saucējs vienādojumā (5) iet uz nulli, t.i. kad 1 + Aβ = 0 vai Aβ = -1. Galvenais, lai izveidotu ģeneratoru, ir izpildīt nosacījumu Aβ = -1. Tas ir tā sauktais Barkhauzena kritērijs. Lai izpildītu šo kritēriju, atgriezeniskās saites cilpas pastiprinājumam jābūt fāzē ar atbilstošo fāzes nobīdi 180°, kā norādīts ar mīnusa zīmi. Līdzvērtīga izteiksme, izmantojot sarežģītu algebras apzīmējumu, būtu Aβ =1∠-180° negatīvas atgriezeniskās saites sistēmai. Pozitīvas atgriezeniskās saites sistēmai izteiksme izskatīsies šādi: Aβ =1∠-0° un termina Aβ zīme vienādojumā (5) būs negatīva.
Fāzes nobīdei tuvojoties 180°, un |Aβ| --> 1, tagad nestabilās sistēmas izejas spriegums mēdz sasniegt bezgalību, taču tas, protams, ir ierobežots līdz galīgām vērtībām barošanas avota sprieguma ierobežojuma dēļ. Kad izejas sprieguma amplitūda sasniedz jebkura barošanas sprieguma vērtību, pastiprinātāju aktīvās ierīces maina pastiprinājumu. Tas noved pie tā, ka A vērtība mainās, kā arī noved pie Aβ attālināšanās no bezgalības un līdz ar to sprieguma maiņas trajektorija bezgalības virzienā palēninās un galu galā apstājas. Šajā posmā var notikt viena no trim lietām:
I. Nelinearitātes piesātinājuma vai izslēgšanas režīmā nogādā sistēmu līdzsvara stāvoklī un uztur izejas spriegumu tuvu barošanas avota spriegumam.
II. Sākotnējās izmaiņas noved pie sistēmas piesātinājuma (vai atslēgšanās), un sistēma paliek šajā stāvoklī ilgu laiku, pirms tā kļūst lineāra un izejas spriegums sāk mainīties uz pretējo enerģijas avotu.
III. Sistēma paliek lineāra un maina izejas sprieguma virzienu uz pretējo strāvas avotu.
Otrais variants rada ļoti izkropļotas svārstības (parasti gandrīz taisnstūra formas ģeneratorus sauc par relaksācijas ģeneratoriem). Trešā iespēja rada sinusoidālo vilni.
4. Fāzes nobīde ģeneratoros
Vienādojumā Aβ =1∠-180° fāzes nobīdi par 180° veicina aktīvās un pasīvās sastāvdaļas. Tāpat kā jebkura pareizi izstrādāta atgriezeniskās saites ķēde, oscilatori ir atkarīgi no pasīvo komponentu ieviestās fāzes nobīdes, jo fāzes nobīde ir precīza un tai gandrīz nav novirzes. Aktīvo komponentu izraisītā fāzes nobīde ir samazināta, jo tā ir atkarīga no temperatūras, tai ir plaša sākotnējā pielaide un atkarīga no aktīvo elementu veidiem. Pastiprinātāji ir izvēlēti tā, lai tie svārstību frekvencē ieviestu minimālu fāzes nobīdi vai nemaz. Šie faktori ierobežo op-amp oscilatoru darbības diapazonu līdz salīdzinoši zemām frekvencēm.
Viena posma RL vai RC ķēdes ievieš fāzes nobīdi līdz 90° (bet ne tieši 90° - to fāzes nobīde mēdz līdz 90°, bet nekad to nesasniedz) un tā kā fāzes nobīde ir nepieciešama 180° lai notiktu svārstības, tad ģeneratora konstrukcijā izmantojiet vismaz divas saites (tā kā maksimālā fāzes nobīde tiecas uz 180°, nepieciešamo fāzes nobīdes pievienošanu precīzai 180° vērtībai nodrošinās ģeneratora ieejas kapacitātes un pretestības). aktīvie elementi). LC ķēdei ir divi stabi, un tā var ieviest fāzes nobīdi 180 ° uz vienu polu. Bet LC un LR ģeneratori šeit netiek ņemti vērā, jo zemfrekvences induktivitātes ir dārgas, smagas, apjomīgas un ļoti nepilnīgas. LC oscilatorus izmanto augstfrekvences shēmās ārpus operacionālo pastiprinātāju frekvenču diapazona, kur induktoru izmēram, svaram un izmaksām ir mazāka nozīme.
Fāzes nobīde nosaka svārstību darbības frekvenci, jo ķēde svārstīsies jebkurā frekvencē, pie kuras uzkrājas 180° fāzes nobīde. Fāzes jutība pret frekvenci, dφ/dω, nosaka frekvences stabilitāti. Kad buferizētie RC posmi (operācijas pastiprinātāja buferis nodrošina augstu ieejas pretestību un zemu izejas pretestību) tiek kaskādes, fāzes nobīde tiek reizināta ar pakāpju skaitu n (sk. 2. attēlu).
Rīsi. 2. Fāzes nobīde ar RC saitēm.
Reģionā, kur fāzes nobīde ir 180°, ģenerēšanas frekvence ir ļoti jutīga pret fāzes nobīdi. Tādējādi stingro frekvences prasību dēļ ir nepieciešams, lai fāzes nobīde dφ mainītos ārkārtīgi šaurā diapazonā, lai frekvences dφ izmaiņas būtu niecīgas pie fāzes nobīdes 180 °. No 2. attēla var redzēt, ka, lai gan divas virknē savienotas RC saites galu galā nodrošina fāzes nobīdi gandrīz 180 °, dφ / dω vērtība ģenerēšanas frekvencē ir nepieņemami maza. Līdz ar to oscilatoram, kura pamatā ir divas virknē savienotas RC ķēdes, būs slikta frekvences stabilitāte. Trīs identiskiem RC filtriem virknē ir daudz augstāka dφ/dω attiecība (sk. 2. attēlu), kā rezultātā uzlabojas oscilatora frekvences stabilitāte. Ceturtās RC saites pievienošana rada oscilatoru ar lielisku dφ/dω attiecību (skat. 2. attēlu), tādējādi nodrošinot frekvences stabilāko RC oscilatora ķēdi. Četru joslu RC shēmās ir maksimālais izmantoto saišu skaits, jo vienā mikroshēmu komplektā ir četri darbības pastiprinātāji, un četrpakāpju ģenerators rada četrus sinusoidālos viļņus, kas ir 45° fāzē viens pret otru. To pašu ģeneratoru var izmantot sinusa/kosinusa, kā arī kvadratūras (t.i. ar 90° starpību) signālu iegūšanai.
Kvarca vai keramikas rezonatori ļauj izveidot daudz stabilākus oscilatorus, jo rezonatoriem ir daudz augstāka dφ / dω attiecība to nelineāro īpašību dēļ. Rezonatorus izmanto augstfrekvences ķēdēs, to lielā izmēra, svara un izmaksu dēļ. Darbības pastiprinātājus parasti neizmanto ar kristāla vai keramikas rezonatoriem, jo darbības pastiprinātājiem ir mazs joslas platums. Pieredze rāda, ka tā vietā, lai zemām frekvencēm izmantotu zemfrekvences rezonatorus, ekonomiski izdevīgāka metode ir augstas frekvences kristāla oscilatora izmantošana, kura izejas frekvence jāsadala ar n reizēm līdz vajadzīgajai darba frekvencei, un pēc tam filtrējiet izejas signālu.
5. Ģeneratora pastiprinājums
Ģeneratora pastiprinājumam jābūt vienādam ar vienību (Aβ =1∠-180°) darba frekvencē. Normālos apstākļos ķēde kļūst stabila, kad pastiprinājums pārsniedz vienotību, un pēc tam ģenerēšana apstājas. Tomēr, ja pastiprinājums pārsniedz vienotību un fāzes nobīde ir -180°, tad aktīvo elementu nelinearitāte samazina pastiprinājumu līdz vienotībai, un ģenerēšana turpinās. Šī nelinearitāte kļūst svarīga, ja pastiprinātāja izejas spriegums tuvojas vienam no barošanas spriegumiem, jo izslēgšanas vai piesātinājuma režīmā aktīvo elementu (tranzistoru) pastiprinājums tiek samazināts. Paradokss šeit ir tāds, ka attiecībā uz izgatavojamību katram gadījumam tiek iekļauts pastiprinājums, kas pārsniedz vienību, lai gan pārmērīgs pastiprinājums palielina sinusoidālā signāla kropļojumus.
Kad pastiprinājums ir pārāk zems, apstākļi pasliktinās un svārstības apstājas, un, kad pastiprinājums ir pārāk liels, izejas viļņu forma vairāk atgādina kvadrātveida vilni, nevis sinusoidālo vilni. Izkropļojumi ir tiešs rezultāts pārāk lielai pastiprinājuma palielināšanai, pastiprinātāja pārslodzei; Tāpēc oscilatoros ar zemu kropļojumu pastiprinājums ir jākontrolē ļoti rūpīgi. Oscilatoriem, kuru pamatā ir fāzes nobīdes ķēdes, ir arī kropļojumi, taču tie tiek samazināti pie izejas, jo virknē savienotās RC ķēdes darbojas kā RC filtri, samazinot kropļojumus. Turklāt buferizētajiem fāzes nobīdes oscilatoriem ir zemi kropļojumi, jo pastiprinājums tiek kontrolēts un sadalīts starp buferiem.
Lielākajai daļai konstrukciju ir nepieciešama papildu ķēde, lai pielāgotu pastiprinājumu, ja ir nepieciešams zema izkropļojuma signāls. Papildu ķēdēs var izmantot nelineārus komponentus atgriezeniskās saites ķēdēs automātiskai pastiprinājuma kontrolei vai ierobežotājus, izmantojot rezistorus un diodes. Jāņem vērā arī pastiprinājuma svārstības, ko izraisa temperatūras izmaiņas un komponentu pielaides, un ķēdes sarežģītības līmenis tiek noteikts, pamatojoties uz nepieciešamo pastiprinājuma stabilitāti. Jo stabilāks pastiprinājums, jo tīrāka būs sinusoidālā viļņa izeja.
6. Aktīvā elementa (OA) ietekme uz ģeneratoru
Visās iepriekšējās diskusijās tika pieņemts, ka darbības pastiprinātājam ir bezgalīgi liels joslas platums un tā izeja ir neatkarīga no frekvences. Patiesībā operētājsistēmas pastiprinātājam ir vairāki stabi uz frekvences reakcijas, bet tie ir kompensēti tā, ka visā caurlaides joslā dominē viens pols. Tādējādi Aβ tagad jāuzskata par frekvences atkarīgu atkarībā no operētājsistēmas pastiprinātāja pastiprinājuma A. (6) vienādojums parāda šo atkarību šeit a ir atgriezeniskās saites cilpas maksimālais pastiprinājums, ω a ir frekvences reakcijas dominējošais pols, un ω ir signāla frekvence. 3. attēlā parādīta frekvence kā pastiprinājuma un fāzes funkcija. Pastiprinājumam ar slēgtu atgriezeniskās saites ķēdi A CL = 1/β nav ne polu, ne nulles vērtību, tas ir nemainīgs, frekvencei pieaugot līdz vietai, kur pastiprinājums ar atvērtu atgriezeniskās saites ķēdi sāk darboties ar frekvenci ω 3dB. Šeit signāla amplitūda tiek vājināta par 3 dB, un operētājsistēmas pastiprinātāja ieviestā fāzes nobīde ir 45 °. Amplitūda un fāze sāk mainīties vienu desmitgadi uz leju no šī punkta, 0,1 x ω 3dB, un fāze turpina mainīties, līdz tā sasniedz vērtību 90° 10 ω 3dB punktā, desmitgadi zem 3 dB punkta. Pastiprinājums turpina kristies ar ātrumu -20 dB desmitgadē, līdz tas sasniedz pārējos polus vai nulli. Jo lielāks slēgtā cikla pastiprinājums A CL, jo ātrāk tas sāks kristies.
(6)
Operētājsistēmas pastiprinātāja ieviestā fāzes nobīde ietekmē oscilatora ķēdes raksturlielumus, samazinot svārstību frekvenci, un arī ACL ACL samazināšana var izraisīt Aβ.< 1, и генерация прекратится.
Rīsi. 3. Operacionālā pastiprinātāja amplitūdas-frekvences reakcija
Lielākā daļa darbības pastiprinātāju ir kompensēti, un to fāzes nobīde var būt lielāka par 45° ar frekvenci ω 3dB. Tādējādi operētājsistēmas pastiprinātājs ir jāizvēlas ar joslas platuma pastiprinājumu vismaz par vienu desmitgadi virs svārstību frekvences, kā parādīts ēnotajā zonā 3. attēlā. Lai sasniegtu abus, Wien tilta oscilatoram ir nepieciešams joslas platuma pastiprinājums, kas lielāks par 43 ω OSC. pieaugums un frekvence tika uzturēti 10% robežās no ideālās vērtības. 4. attēlā parādīti salīdzinoši kropļojuma raksturlielumi dažādās frekvencēs operacionālajiem pastiprinātājiem LM328, TLV247x un TLC071, kuru joslas platums ir 0,4 MHz, 2,8 MHz un 10 MHz, ko izmanto Vīnes tilta oscilatorā ar nelineāru atgriezenisko saiti (). Svārstību frekvence svārstās no 16 Hz līdz 160 kHz. Diagramma parāda, cik svarīgi ir izvēlēties piemērotu darbības pastiprinātāju. LM328 sasniedz maksimālo svārstību frekvenci 72 kHz pie vairāk nekā 75% pastiprinājuma samazinājuma, un TLV247x sasniedz 125 kHz ar 18% pastiprinājuma samazinājumu. TLC071 plašais joslas platums nodrošina 138 kHz svārstību frekvenci ar tikai 2% pastiprinājuma samazinājumu. Operacionālais pastiprinātājs ir jāizvēlas ar piemērotu joslas platumu, pretējā gadījumā svārstību frekvence būs daudz zemāka nekā nepieciešams.
Rīsi. 4. Izkropļojumu/frekvenču diagramma darbības pastiprinātājiem ar dažādu joslas platumu.
Jāievēro piesardzība, izmantojot atgriezeniskās saites ķēdē lielas vērtības rezistorus, jo tie mijiedarbojas ar operētājsistēmas pastiprinātāja ieejas kapacitāti un rada negatīvas atgriezeniskās saites polus, kā arī pozitīvas atgriezeniskās saites polus un nulles. Lielākas vērtības rezistori var novirzīt šos polus un nulles tuvāk ģenerēšanas frekvencei un ietekmēt fāzes nobīdi. Noslēgumā pievērsīsim uzmanību operētājsistēmas pastiprinātāja signāla pagrieziena ātruma ierobežojumam. Signāla maiņas ātrumam jābūt lielākam par 2πV P f 0, kur V P ir maksimālais spriegums un f 0 ir ģenerēšanas frekvence; pretējā gadījumā izejas signāls tiks izkropļots.
7. Ģeneratora ķēdes darbības analīze
Veidojot ģeneratorus dažādos veidos, tiek apvienotas pozitīvas un negatīvas atsauksmes. 5.a attēlā parādīta pamata pastiprinātāja ķēde ar negatīvu atgriezenisko saiti un ar pievienotu pozitīvu atgriezenisko saiti. Ja tiek izmantotas gan pozitīvās, gan negatīvās atgriezeniskās saites cilpas, to ieguvumi tiek apvienoti vienā kopējā (slēgtās atgriezeniskās saites pastiprināšana). 5.a attēls ir vienkāršots līdz 5.b attēlam, pozitīvās atgriezeniskās saites ķēde ir attēlota ar β = β 2, un turpmākā analīze ir vienkāršota. Ja tiek izmantota negatīva atgriezeniskā saite, pozitīvā atgriezeniskā saite tiek ignorēta, jo β 2 ir nulle.
Rīsi. 5. Ģeneratora blokshēma.
Operatīvā pastiprinātāja vispārīgs skats ar pozitīvu un negatīvu atgriezenisko saiti ir parādīts 6.a attēlā. Pirmais analīzes solis būs kādā brīdī pārtraukt cilpu, bet tā, lai ķēdes pastiprinājums nemainītos. Pozitīvā OS ir bojāta atzīmētajā vietā X. Testa signāls V TEST tiek pielietots atvērtajai cilpai, un izejas spriegumu V OUT mēra, izmantojot līdzvērtīgu ķēdi, kas parādīta 6.b attēlā.
Rīsi. 6. Pastiprinātājs ar pozitīvām un negatīvām atsauksmēm.
Pirmkārt, V+ aprēķina, izmantojot vienādojumu (7); Pēc tam V+ tiek uzskatīts par neinvertējošā pastiprinātāja ieejas signālu, izdodot V no vienādojuma (8). Aizstājot V + no (7) vienādojuma vienādojumā (8), mēs iegūstam pārneses funkciju (9) vienādojumā. Reālā shēmā elementi tiek nomainīti katrai pretestībai, un vienādojums tiek vienkāršots. Šie vienādojumi ir derīgi, ja atvērtās cilpas pastiprinājums ir milzīgs un ģenerēšanas frekvence ir mazāka par 0,1 ω 3dB.
(7)
(8)
(9)
Fāzes nobīdes oscilatori parasti izmanto negatīvu atgriezenisko saiti, lai pozitīvās atgriezeniskās saites koeficients (β 2) kļūtu nulle. Wien tilta oscilatoru ķēdes izmanto gan negatīvu (β 1), gan pozitīvu (β 2) atgriezenisko saiti, lai panāktu svārstību režīmu. Lai detalizēti analizētu šo ķēdi, tiek izmantots vienādojums (9) (sk. 8.1. sadaļu).
8. Sinusoidālā viļņa ģeneratora ķēdes
Ir daudz veidu harmonisko signālu ģeneratoru shēmas un to modifikācijas praktiskajā realizācijā, izvēle ir atkarīga no izejas signāla frekvences un vēlamās monotonitātes. Galvenā uzmanība šajā daļā tiks pievērsta pazīstamākajām oscilatoru shēmām: Vīnes tiltam, fāzes nobīdei un kvadratūrai. Pārsūtīšanas funkcija tiek iegūta katrā gadījumā atsevišķi, izmantojot metodes, kas aprakstītas šī raksta 6. iedaļā un atsaucēs.
8.1. Ģenerators uz Vīnes tilta bāzes
Wien tilta oscilators ir viens no vienkāršākajiem un slavenākajiem, un to plaši izmanto audio shēmās. 7. attēlā parādīta ģeneratora pamata shēma. Šīs shēmas priekšrocība ir nelielais izmantoto detaļu skaits un laba frekvences stabilitāte. Tās galvenais trūkums ir tas, ka izejas signāla amplitūda tuvojas barošanas sprieguma vērtībai, kas noved pie operacionālā pastiprinātāja izejas tranzistoru piesātinājuma un rezultātā rada izejas signāla kropļojumus. Šo izkropļojumu pieradināšana ir daudz grūtāka nekā likt ķēdei radīt. Ir vairāki veidi, kā samazināt šo efektu. Tie tiks apspriesti vēlāk; vispirms ķēde tiks analizēta, lai iegūtu pārsūtīšanas funkciju.
Rīsi. 7. Ģeneratora ķēde, kuras pamatā ir Wien tilts.
Wien tilta oscilatora ķēdei ir forma, kas detalizēti aprakstīta , un šīs ķēdes pārsūtīšanas funkcija ir iegūta, izmantojot tur aprakstītās konstrukcijas. Ir pilnīgi skaidrs, ka Z 1 = R G, Z 2 = R F, Z 3 = (R 1 + 1/sC 1) un Z 4 = (R 2 ||1/sC 2). Cilpa tiek pārtraukta starp izeju un Z 1, spriegums V TEST tiek piemērots Z 1, un no šejienes tiek aprēķināts V OUT. Vispirms tiek aprēķināts pozitīvās atgriezeniskās saites spriegums V +, izmantojot vienādojumus (10..12). Vienādojums (10) parāda vienkāršu sprieguma dalītāju pie neinvertējošās ieejas. Katrs termins tiek reizināts ar (R 2 C 2 s + 1) un dalīts ar R 2 , iegūstot vienādojumu (11).
(10)
(11)
Aizvietojot s = jω 0 , kur jω 0 ir ģenerēšanas frekvence, jω 1 = 1/R1C2 un jω 2 = 1/R2C1, iegūstam vienādojumu (12).
(12)
Tagad atklājas dažas interesantas attiecības. Kondensatoram pie nulles, ko apzīmē ar ω 1 , un kondensatoram pie pola, ko attēlo ω 2 , katram ir jāievieš fāzes nobīde par 90°, kas nepieciešama lāzera frekvencei ω 0 . Tas prasa, lai C1 = C2 un R1 = R2. Izvēloties ω 1 un ω 2 vienādus ar ω 0, visi vienādojuma termini ar frekvencēm ω tiks atcelti, kas ideālā gadījumā atceļ jebkādas amplitūdas izmaiņas ar frekvenci, jo stabi un nulles atceļ viens otru. Tā rezultātā kopējais atgriezeniskās saites koeficients ir β = 1/3 (13. vienādojums)
Negatīvās atgriezeniskās saites daļas pastiprinājums A jāiestata tā, lai |Aβ| = 1, kas prasa A = 3. Lai šis nosacījums būtu izpildīts, R F ir jābūt divreiz lielākam par R G . 7. attēlā redzamais darbības pastiprinātājs izmanto vienas barošanas avotu, tāpēc ir nepieciešams izmantot atsauces spriegumu V REF, lai novirzītu izejas signāla līdzstrāvas komponentu tā, lai tā amplitūda būtu starp nulli un barošanas spriegumu, un kropļojumi būtu minimāli. V REF pielietošana darbības pastiprinātāja pozitīvajai ieejai caur rezistoru R 2 ierobežo līdzstrāvas plūsmu caur negatīvo atgriezenisko saiti. V REF spriegums tika iestatīts uz 0,833 voltiem, lai kompensētu izejas signāla līmeni uz pusi no barošanas sprieguma, kā rezultātā izejas amplitūda ir +-2,5 volti no vidējās vērtības (skatiet saiti). Izmantojot bipolāro barošanas avotu, V REF ir iezemēts.
Galīgā ķēde ir parādīta 8. attēlā ar komponentu parametriem, kas atlasīti ģenerēšanas frekvencei ω 0 = 2πf 0, kur f 0 = 1/(2πRC) = 1,59 kHz. Patiesībā ķēde ģenerē pie 1,57 kHz komponentu variācijas dēļ un ar deformācijas koeficientu 2,8%. Augstākā darbības frekvence ir rezultāts tam, ka izejas signāls tiek apgriezts tuvu barošanas avota plusiem un mīnusiem, kā rezultātā rodas vairākas spēcīgas pāra un nepāra harmonikas. Šajā gadījumā atgriezeniskās saites rezistors tika noregulēts ar precizitāti +-1%. 9. attēlā parādītas izejas signāla oscilogrammas. Izkropļojumi palielinās, palielinoties piesātinājumam, kas palielinās, palielinoties pretestībai RF, un ģenerēšana apstājas, kad pretestība RF samazinās tikai par 0,8%.
Rīsi. 8. Ģeneratora beigu ķēde uz Vīnes tilta.
Rīsi. 9. Izejas signāla oscilogrammas: RF ietekme uz kropļojumiem.
Nelineāras atgriezeniskās saites izmantošana var samazināt traucējumus, kas raksturīgi pamata Wien tilta oscilatora ķēdei. Nelineāru komponentu, piemēram, kvēlspuldzi, ķēdē var aizstāt rezistora R G vietā, kā parādīts 10. attēlā. Lampas pretestība R LAMP ir izvēlēta tā, lai tā būtu puse no atgriezeniskās saites pretestības RF ar strāvu. plūst cauri lampai atkarībā no R F un R LAMP . Šobrīd ķēdei tiek pievienots barošanas spriegums, lampa joprojām ir auksta un tās pretestība ir zema, tāpēc pastiprinājums būs liels (vairāk nekā trīs). Strāvai plūstot caur kvēldiegu, tas uzsilst un palielinās tā pretestība, izraisot pastiprinājuma samazināšanos. Nelineārā sakarība starp strāvu, kas plūst caur lampu, un tās pretestību saglabā nelielas izejas sprieguma izmaiņas - nelielas sprieguma izmaiņas nozīmē lielas pretestības izmaiņas. 11. attēlā parādīts šī ģeneratora izejas signāls ar kropļojumiem, kas mazāki par 0,1%, ja f OSC = 1,57 kHz. Izkropļojumi ar šādām izmaiņām ir ievērojami samazināti salīdzinājumā ar pamata oscilatora ķēdi, jo operētājsistēmas pastiprinātāja izejas stadija novērš nopietnu piesātinājumu.
Rīsi. 10. Ģenerators uz Vīnes tilta ar nelineāru atgriezenisko saiti.
Rīsi. 11. Izejas signāls no ķēdes 10. attēlā.
Lampas pretestība galvenokārt ir atkarīga no temperatūras. Izejas amplitūda ir ļoti jutīga pret temperatūru un tai ir tendence novirzīties. Tāpēc pastiprinājumam ir jābūt lielākam par trīs, lai kompensētu jebkādas temperatūras svārstības, kas palielina kropļojumus. Šāda veida ķēde ir noderīga, ja temperatūra īpaši nemainās vai tiek izmantota kopā ar amplitūdas ierobežošanas ķēdi.
Lampai ir efektīva zemfrekvences termiskā laika konstante, t termiskā. Kad ģenerēšanas frekvence f OSC tuvojas t termiskajai, izejas signāla kropļojumi ievērojami palielinās. Lai samazinātu kropļojumus, varat izmantot vairāku lampu sērijveida savienojumu, kas palielinās t termisko. Šīs metodes trūkumi ir tādi, ka palielinās laiks, kas nepieciešams, lai stabilizētu svārstības, un samazinās izejas signāla amplitūda.
Automātiskās pastiprinājuma kontroles (AGC) ķēde jāizmanto, ja neviena no iepriekšējām shēmām nenodrošina pietiekami zemu kropļojumu. Tipiska ģeneratora shēma ar AGC uz Vīnes tilta ir parādīta 12. attēlā; 13. attēlā parādītas šīs ķēdes viļņu formas. AGC izmanto, lai stabilizētu izejas sinusoidālā signāla amplitūdu līdz optimālai vērtībai. Lauka efekta tranzistors tiek izmantots kā AGC vadības elements, nodrošinot lielisku vadību, pateicoties plašam drenāžas avota pretestības diapazonam, kas ir atkarīgs no aizslēga sprieguma. Tranzistora vārtu spriegums ir nulle, kad tiek pielietots barošanas spriegums, un attiecīgi drenāžas avota pretestība (R DS) būs zema. Šajā gadījumā pretestības R G2 +R S +R DS tiek savienotas paralēli ar R G1, kas palielina pastiprinājumu līdz 3,05, un ķēde sāk radīt svārstības, kas pakāpeniski palielinās amplitūdā. Palielinoties izejas spriegumam, signāla negatīvais pusvilnis atver diodi, un kondensators C1 sāk uzlādēt, kas nodrošina pastāvīgu spriegumu tranzistora Q1 vārtos. Rezistors R 1 ierobežo strāvu un iestata kondensatora C 1 uzlādes laika konstanti (kam vajadzētu būt daudz lielākam par frekvences periodu f OSC). Kad pastiprinājums sasniedz trīs, izejas signāls stabilizējas. AGC kropļojumi ir mazāki par 0,2%.
12. attēlā redzamajai shēmai ir V REF novirze vienas barošanas padevei. Zenera diodi var savienot virknē ar diodi, lai samazinātu izejas signāla amplitūdu un samazinātu kropļojumus. Lai to izdarītu, varat izmantot bipolāru jaudu, visi vadītāji, kas ved uz V REF, ir jāpievieno kopējam vadam. Ir daudz dažādu oscilatoru shēmu, kuru pamatā ir Wien tilts, ar precīzāku izejas signāla līmeņa kontroli, kas ļauj pakāpeniski pārslēgt ģenerēšanas frekvenci vai vienmērīgi to regulēt. Dažās shēmās tiek izmantoti diodes ierobežotāji, kas uzstādīti kā nelineāras atgriezeniskās saites komponentes. Diodes samazina izejas signāla kropļojumus, maigi ierobežojot tā spriegumu.
Rīsi. 12. Ģenerators uz Vīnes tilta ar AGC.
Rīsi. 13. Izejas signāls no ķēdes 12. attēlā.
8.2. Ģenerators, kas balstīts uz fāzes nobīdi ar vienu darbības pastiprinātāju.
Fāzes nobīdes oscilatori rada mazāku kropļojumu nekā Wien tilta oscilatori, un tiem ir arī laba frekvences stabilitāte. Šādu oscilatoru var konstruēt ar vienu darbības pastiprinātāju, kā parādīts 14. attēlā. Trīs RC saites ir savienotas virknē, lai iegūtu stāvu dφ/dω slīpumu, kas nepieciešams stabilai svārstību frekvencei, kā aprakstīts 3. sadaļā. Izmantojot mazāku RC saišu skaitu. rada augstu svārstību frekvenci, ko ierobežo operētājsistēmas pastiprinātāja joslas platums.
Rīsi. 14. Ģenerators, kura pamatā ir fāzes nobīde ar vienu darbības pastiprinātāju.
Rīsi. 15. Izejas signāls no ķēdes 14. attēlā.
Parasti tiek pieņemts, ka fāzes nobīdes ķēdes ir neatkarīgas viena no otras, kas ļauj iegūt vienādojumu (14). Kopējā atgriezeniskās saites cilpas fāzes nobīde ir –180°, savukārt katras saites ieviestā fāzes nobīde ir –60°. Tas notiek pie ω = 2πf = 1,732/RC (iedegums 60° = 1,732...). β vērtība šajā brīdī būs vienāda ar (1/2) 3, tāpēc pieaugums, A, jābūt vienādam ar 8, lai kopējais pieaugums būtu vienāds ar vienu.
(14)
Svārstību frekvence ar komponentu nomināliem, kas parādīti 14. attēlā, ir 3,767 kHz, un projektētā frekvence ir 2,76 kHz. Turklāt lāzera ģenerēšanai nepieciešamais pastiprinājums ir 27, bet aprēķinātais pastiprinājums ir 8. Šī neatbilstība daļēji ir saistīta ar komponentu parametru izmaiņām, bet galvenais faktors ir nepareizs pieņēmums, ka RC saites nenoslogo viena otru. Šī shēma bija ļoti populāra, kad aktīvie komponenti bija lieli un dārgi. Taču tagad operācijas pastiprinātāji ir lēti, mazi un satur 4 darbības pastiprinātājus vienā iepakojumā, tāpēc viena operētājsistēmas pastiprinātāja fāzes nobīdes oscilators zaudē popularitāti. Izejas signāla kropļojums ir 0,46%, kas ir ievērojami mazāks nekā oscilatora shēmā, kuras pamatā ir Wien tilts bez amplitūdas stabilizācijas.
8.3. Buferizēts oscilators, kura pamatā ir fāzes nobīde
Buferētais fāzes nobīdes oscilators ir daudz labāks par nebuferēto versiju, taču tas maksā vairāk komponentu. 16. un 17. attēlā parādīts buferizēts oscilators, kura pamatā ir fāzes nobīde, un attiecīgi izejas signāls. Buferi neļauj RC ķēdēm noslogot viena otru, tāpēc buferētā fāzes nobīdes oscilatora parametri ir daudz tuvāki aprēķinātajām frekvences un pastiprinājuma vērtībām. Rezistors R G, kas iestata pastiprinājumu, ielādē trešo RC saiti. Ja jūs buferējat šo saiti, izmantojot ceturto op-amp, tad ģeneratora parametri kļūs ideāli. Zemu kropļojumu sinusoidālo vilni var radīt jebkurš fāzes nobīdes ģenerators, bet tīrāko sinusoidālo vilni iegūst ģeneratora pēdējās RC sekcijas izejā. Šī ir augstas pretestības izeja, tāpēc ir nepieciešama liela ieejas slodzes pretestība, lai novērstu pārslodzi un līdz ar to ģenerēšanas frekvences izmaiņas slodzes parametru izmaiņu dēļ.
Ķēdes svārstību frekvence ir 2,9 kHz, salīdzinot ar ideālo projektēto 2,76 kHz frekvenci, pastiprinājums bija 8,33, kas ir tuvu projektētajam 8. Izkropļojumi bija 1,2%, kas ir ievērojami vairāk nekā nebuferētās fāzes ģeneratoram. Šīs parametru neatbilstības un spēcīgie kropļojumi rodas atgriezeniskās saites rezistora RF lielās vērtības dēļ, kas kopā ar op-amp C IN ieejas kapacitāti rada polu, kas atrodas tuvu 5 kHz frekvencei. Rezistors R G joprojām ielādē pēdējo RC saiti. Bufera pievienošana starp pēdējo RC saiti un V OUT izvadi samazinās pastiprinājumu un svārstību frekvenci līdz aprēķinātajām vērtībām.
Rīsi. 16. Buferizēts oscilators, kura pamatā ir fāzes nobīde.
Rīsi. 17. Ķēdes izejas signāls no 17. attēla.
8.4. Bubba ģenerators
Bubba oscilators, kas parādīts 18. attēlā, ir vēl viens fāzes nobīdes oscilators, taču šis izmanto četru darbības pastiprinātāju, lai nodrošinātu unikālas priekšrocības. Četrām RC saitēm ir nepieciešama 45° fāzes nobīde katrā saitē, tāpēc šim oscilatoram ir lieliska d&phi/dt, kā rezultātā frekvences novirze ir minimāla. Katra no RC sekcijām ievieš 45° fāzes nobīdi, tāpēc, noņemot signālu no dažādām sekcijām, varat iegūt zemas pretestības kvadrātveida izvadi. Ņemot signālus no katra op-amp izejām, jūs varat iegūt četrus sinusoīdus ar fāzes nobīdi 45 °. Vienādojums (15) apraksta atgriezeniskās saites cilpu. Ja ω = 1/RCs, 15. vienādojums tiek vienkāršots līdz vienādojumiem (16) un (17).
(15)
(16)
Rīsi. 19. Ķēdes izejas signāls no 18. attēla.
Lai notiktu ģenerēšana, pastiprināšana A jābūt vienādai ar 4. Pārbaudes ķēdes svārstību frekvence bija 1,76 kHz ar projektēto vērtību 1,72 kHz, un tāpēc pastiprinājums bija vienāds ar 4,17 ar projektēto vērtību 4. Izejas viļņu forma ir parādīta 19. attēlā. kropļojumi ir 1,1% V OUTSINE un 0,1% V OUTCOSINE . No rezistoru R un R G savienojuma punkta var iegūt sinusoidālu signālu ar ļoti zemu kropļojumu. Ja no visām izejām ir jāpaņem signāls ar zemu kropļojumu, kopējais pastiprinājums ir jāsadala starp visiem darbības pastiprinātājiem. Pastiprinošā darbības pastiprinātāja neinvertējošajai ieejai tiek pievienots 2,5 voltu nobīdes spriegums, lai iestatītu miera spriegumu uz pusi no barošanas sprieguma, ja tiek izmantots bipolārais barošanas avots, neinvertējošajai ieejai jābūt iezemētai. Lai sadalītu pastiprinājumu starp visiem darbības pastiprinātājiem, tiem ir jāpiemēro novirze, taču tas nekādā veidā neietekmē svārstību frekvenci.
8.5. Kvadratūras ģenerators
Kvadratūras oscilators, kas parādīts 20. attēlā, ir cita veida fāzes nobīdes oscilators, taču trīs RC sekcijas ir konfigurētas tā, lai katra sekcija ieviestu 90° fāzes nobīdi. Tas nodrošina gan sinusa, gan kosinusa izvadi (izejas ir kvadratūra, ar fāzes starpību 90°), kas ir nepārprotama priekšrocība salīdzinājumā ar citiem ģeneratoriem, kuru pamatā ir fāzes nobīdes. Kvadratūras ģeneratora ideja ir izmantot faktu, ka sinusoidālā viļņa dubultā integrācija rada signāla inversiju, tas ir, signāls tiek nobīdīts fāzē par 180°. Pēc tam otrā integratora fāze tiek apgriezta un izmantota kā pozitīva atgriezeniskā saite, kā rezultātā rodas svārstības.
Atgriezeniskās saites cilpas pastiprinājumu aprēķina, izmantojot (18) vienādojumu. Ja R1C1 = R2C2 = R3C3, vienādojums (18) tiek vienkāršots līdz (19). Ja ω = 1/RC, vienādojums (18) tiek vienkāršots līdz 1∠–180, tā ka lāzera noteikšana notiek ar frekvenci ω = 2πf = 1/RC. Testa ķēde svārstās ar frekvenci 1,65 kHz, kas nedaudz atšķiras no projektētās frekvences 1,59 kHz, kā parādīts 21. attēlā. Šī neatbilstība ir saistīta ar komponentu izmaiņām. Abām izejām ir salīdzinoši lieli kropļojumi, kurus var samazināt, izmantojot AGC. Sinususa izvadei bija kropļojuma koeficients 0,846%, un kosinusa izvadei bija 0,46%. Pastiprinājuma regulēšana var palielināt izejas signāla amplitūdu. Šāda ģeneratora trūkums ir samazināts joslas platums.
(18)
(19)
Rīsi. 20. Kvadratūras ģeneratora ķēde.
Rīsi. 21. Izejas signāls no ķēdes 20. attēlā.
9. Secinājums
Op-amp oscilatoru darbības frekvence ir ierobežota, jo tiem nav vajadzīgā joslas platuma, lai iegūtu nelielu fāzes nobīdi augstās frekvencēs. Jaunākiem strāvas atgriezeniskās saites darbības pastiprinātājiem ir daudz lielāks joslas platums, taču tos ir ļoti grūti izmantot oscilatoru shēmās, jo tie ir ļoti jutīgi pret atgriezeniskās saites kapacitāti. Sprieguma atgriezeniskās saites darbības pastiprinātāji ir ierobežoti līdz simtiem kHz darbības diapazonam to zemā joslas platuma dēļ. Joslas platums tiek samazināts, ja operācijas pastiprinātāji ir savienoti kaskādē, jo palielinās fāzes nobīdes.
Wien tilta oscilatorā ir maz komponentu un tam ir laba frekvences stabilitāte, bet pamata ķēdei ir lieli izejas kropļojumi. AGC izmantošana ievērojami samazina kropļojumus, īpaši zemākajā frekvenču diapazonā. Nelineāra atgriezeniskā saite nodrošina vislabāko veiktspēju vidējās un augstās frekvences diapazonā. Fāzes nobīdes oscilatoram ir augsts kropļojumu līmenis, un bez buferizācijas saitēm ir nepieciešams liels pastiprinājums, kas ierobežo tā frekvenču diapazonu līdz ļoti zemai frekvencei. Zemākas darbības pastiprinātāju un citu komponentu cenas ir samazinājušas šādu oscilatoru popularitāti. Kvadratūras ģeneratora darbībai ir nepieciešami tikai divi darbības pastiprinātāji, tam ir pieņemams nelineāro kropļojumu līmenis, un no tā izejām var iegūt sinusa un kosinusa signālus. Tā trūkums ir zemā izejas signāla amplitūda, ko var palielināt, izmantojot papildu pastiprināšanas pakāpi, taču tas ievērojami samazinās joslas platumu.
10. Saites
- Greiems, Džeralds, Op Amp Performance Optimizing, McGraw Hill Book Company, 1997.
- Gottlieb, Irving M., Praktiskā oscilatoru rokasgrāmata, Newnes, 1997.
- Kenedijs, E. J., Operacionālo pastiprinātāju shēmas, teorija un pielietojumi, Holts Rīnharts un Vinstons, 1988.
- Philbrick Researches, Inc., Lietojumprogrammu rokasgrāmata skaitļošanas pastiprinātājiem, Nimrod Press, Inc., 1966. gads.
- Grafs, Rūdolfs F., Oscilatoru shēmas, Newnes, 1997.
- Greiems, Džeralds, Operacionālo pastiprinātāju pielietojumi, trešās paaudzes metodes, McGraw Hill Book Company, 1973.
- Single Supply Op Amp Design Techniques, Application Note, Texas Instruments Literature Number SLOA030.
Rons Mančīni, Ričards Palmers
