Синусоидальный генератор
Синус генератор представляет собой электронную схему для генерирования основном незатухающие синусы колебаний . Генератор синусов можно отнести к генераторам сигналов .
В низкочастотном диапазоне используются синусоидальные генераторы. Б. как измерительные и испытательные приборы. Там вы также можете найти термин генератор синусоидальной волны , который означает устройства или сборки, работающие на основе генераторов синусоидальной волны для генерации синусоидальных сигналов. Синусовые генераторы также используются в аналоговых музыкальных инструментах.
В диапазоне высоких частот используются синусоидальные генераторы. B. в системах передачи для генерации несущих колебаний, необходимых для передачи сигнала, и в приемниках с наложением для преобразования частоты в смесителе .
Содержание
Способ действия
Как и в случае с другими генераторами , принцип действия основан на положительной обратной связи . Для этого каскад или устройство усилителя подключаются таким образом, что выходной сигнал возвращается на вход той же цепи через частотный фильтр. Чтобы могли возникнуть незатухающие электрические колебания, обратная связь должна иметь правильную фазу.
Если это устройство должно генерировать сам синусоидальный сигнал без последующей обработки сигнала, коэффициент усиления обратной связи в идеале должен быть равен единице. Если он меньше единицы, непрерывных колебаний нет. При возбуждении электрическим импульсом могут развиваться только затухающие колебания. С другой стороны, если коэффициент усиления больше единицы, возникают искажения. В этом случае сигнал более или менее отклоняется от синусоидальной формы и, следовательно, содержит гармоники .
На практике коэффициент усиления выбирается немного выше единицы. Это гарантирует, что вибрация не может прекратиться в результате внешних воздействий или изменений свойств компонентов в результате старения или температурных воздействий. Чем более независимым является усиление за счет подходящей схемы влияния факторов, таких как изменения напряжения питания и, в частности, температуры окружающей среды, и чем более стабильные компоненты используются, тем ближе усиление к единице и, следовательно, выходной сигнал принимает идеальную синусоидальную форму без звона . В схемах с дискретными компонентами ( лампы , транзисторы ) для решения этой проблемы в прошлом часто использовалась схема управления , в которой управляющее напряжение постоянного тока регулировало усиление каскада посредством выпрямления и последующей интеграции на основе выходного сигнала. Также использовались схемы, в которых использовалась инерция горячего проводника или термистора PTC ( лампа накаливания ).
Типы синусоидальных генераторов
Генератор LC
В генераторе LC сигнал возвращается через электрический колебательный контур, который определяет частоту генерируемого сигнала. Устройства по Мейснеру и Хартли наиболее часто использовались или использовались для генерации синусоидальных сигналов . В случае генераторов для низкочастотного диапазона требуемое большое количество витков в катушке или высокое значение AL сердечника катушки является невыгодным. Если частота должна изменяться в более широком диапазоне, требуемая большая электрическая емкость требуемого переменного конденсатора выходит за пределы проектных ограничений. В современной силовой электронике генераторы синусоидальной волны LC предпочтительно используются в форме генератора Ройера. Он производит относительно неискаженные синусоидальные колебания с более или менее фиксированной частотой колебаний, которая обычно находится в диапазоне 20 . 200 кГц. Синусоидальная форма обеспечивает низкий уровень излучения помех и низкие потери переключения в силовых транзисторах. Основная область применения — источники питания (инверторы) для газоразрядных ламп, но, например, Б. Индукционные печи. Недостаток — потребность в электричестве.
Генератор фазовращателя
В генераторе фазовращателя используется усилительный каскад, который инвертирует сигнал, то есть каскад с лампами, который выполнен в виде цепи катодной базы , и с транзисторами, который выполнен в виде цепи эмиттера. Выходной сигнал возвращается на вход через группу фильтров нижних или верхних частот, используемых для фазового сдвига. На практике используются почти только RC-цепи. Фильтры нижних частот предпочтительны, потому что они облегчают получение хорошей синусоидальной формы.
Коэффициент усиления просто должен компенсировать потерю напряжения в цепи фазовращателя. В транзисторных схемах малым входным сопротивлением уже нельзя пренебречь. Генератор фазового сдвига колеблется с частотой, на которой фазовый сдвиг составляет точно 180 градусов, то есть три раза по 60 градусов с тремя RC-элементами.
В генераторе фазовращателя изменение частоты в принципе возможно с помощью регулируемых резисторов (например, с помощью потенциометра ). Однако недостатком является то, что три значения сопротивления должны быть изменены одновременно. Если изменяется только одно или не все значения сопротивления, участвующие в фазовом сдвиге, это влияет не только на частоту, но и на форму волны сигнала.
Осциллятор Винбрюккена
Вот в тракте обратной связи мост Вена-Робинзона . При этом есть ровно одна частота, на которой фазовый сдвиг равен нулю градусов. Это частота колебаний генератора Винбрюке. Следовательно, требуется устройство неинвертирующего усилителя, которое в то же время должно обеспечивать не только усиление по току, но и усиление по напряжению, которое компенсирует потери. Поэтому в схемах с лампами или транзисторами он должен быть как минимум двухкаскадным. Преимущество генератора с мостом Вина состоит в том, что для изменения частоты необходимо синхронно изменять только два значения сопротивления. Например, генерируемая частота может быть изменена в относительно широком диапазоне с помощью обычного двойного потенциометра.
Полнопроходной генератор
Режим работы полнопроходного генератора сопоставим с режимом работы генератора фазовращателя. Однако вместо цепи фазовращателя есть как минимум два прохода . На практике используется ровно два универсальных прохода, так как большее число увеличивает усилие без каких-либо преимуществ.
Так как всепроходной теоретически коэффициент усиления равен 1, связанный каскад должен иметь коэффициент усиления лишь немного выше 1. Как и в случае генератора на мосту Вина, частота многопроходного генератора может изменяться с помощью двух синхронно регулируемых резисторов в относительно широких пределах. Для каждой сгенерированной частоты каждый из двух полнопроходных фильтров имеет фазовый сдвиг 90 градусов.
Полученный таким образом сигнал подается в функциональную сеть, состоящую из диодов и резисторов или цепочку дифференциальных усилителей, которые искажают треугольный сигнал таким образом, что создается синусоидальный сигнал с низкими коэффициентами искажения.
Преимущество таких устройств заключается в том, что частота генерируемого таким образом синусоидального сигнала может изменяться в широких пределах с помощью одного RC-элемента, определяющего частоту. Эта концепция особенно подходит для реализации в интегральных схемах , в которых сравнительно большое количество схем едва ли имеет значение. Комбинация триггера / интегратора может быть спроектирована без особых дополнительных усилий, так что может быть сгенерирован не только исходный треугольный сигнал, но также пилообразный сигнал и прямоугольный сигнал с возможно переменной шириной импульса. Так работает большинство генераторов функций, используемых для целей измерения . Такой рабочий чип, например, Б. 8038.
Цифровые генераторы
Колебания генератора математически моделируются в цифровых схемах. Можно реализовать систему уравнений 2-го порядка в виде виртуального колебательного контура, а также прямую генерацию синусоидального колебания с помощью метода прямого цифрового синтеза , при котором счетчик проходит через таблицу, содержащую сохраненные синусоидальные значения. В обоих случаях цифровые значения выводятся с помощью цифро-аналогового преобразователя и преобразуются в электрическое напряжение. С помощью реализации алгоритма CORDIC требуемые значения синуса также могут быть рассчитаны в реальном времени в программном обеспечении, например Б. с ПЛИС , в ЦСП или микроконтроллере.
Источник
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ
Всем доброго времени суток! В предыдущих двух статьях я рассказал о построении генераторов на основе ОУ (статья про мультивибраторы здесь, про генераторы треугольного напряжения здесь). Ещё одним видом сигнала, который используются в радиотехнике и электронике является синусоидальный сигнал.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Для формирования синусоидального сигнала применяются различные схемы генераторов и формирователей, рассмотрение которых в данной статье не представляется возможным.
Как происходит формирование синусоидальных колебаний?
Любой генератор (не только синусоидальных колебаний) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из усилителя и селективной цепи (частотно-избирательная цепь). Причем селективная цепь включена в цепь ПОС (положительная обратная связь) усилителя, где могут быть включены дополнительные усилители.
Допустим, на вход селективной цепи поступает сигнал, состоящий из большого количества синусоидальных колебаний (гармоник). Проходя через селективную цепь, колебания ослабляются (происходит уменьшение амплитуды) в различной степени, а также происходит изменение фазы данных колебаний. В результате на вход усилителя с выхода селективной цепи поступают синусоидальные сигналы с различными уровнями амплитуды и фазовыми сдвигами, где происходит их усиление для компенсации ослабления селективной цепью.
Так как селективная цепь пропускает без изменения фазы только гармонику определённой частоты, то после усилителя на вход селективной цепи поступит та же гармоника с такой же амплитудой и фазой, которую пропускает селективная цепь, а остальные гармоники будут с изменёнными амплитудами и фазами сигнала. В результате сложения исходного сигнала и сигнала поступающего с выхода усилителя только у гармоники, на частоту которой настроена частотно-избирательная цепь, будет происходить значительное увеличение амплитуды.
Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что петлевое усиление схемы должно быть не меньше единицы (в идеальном случае равно 1), а полный фазовый сдвиг схемы равен нулю.
Схем генераторов синусоидальных или как их ещё называют гармонических колебаний, существует большое количество, рассмотреть которые в одной статье не представляется возможным. Поэтому ограничимся лишь некоторыми из них, которые построены на ОУ и RC-цепочках.
Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина
Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина или просто генератор Вина является одним из самых распространённых RC-генераторов синусоидальных колебаний. Схема данного генератора показана на рисунке ниже
Схема генератора Вина на основе ОУ.
Генератор Вина состоит из ОУ DA1, который охвачен ООС (отрицательная обратная связь) посредством резисторов R1 и R2, а также ПОС (положительная обратная связь) с помощью частотно-избирательной цепи R3C1R4C2.
Частотно-избирательная цепь R3C1R4C2 называется мостом Вина, от названия которого и получил наименование генератор данного типа. Данный мост состоит из последовательно включённых дифференцирующей цепи R4C2 и интегрирующей цепи R3C1. Как известно для генерирования сигнала мост Вина должен обеспечить нулевой фазовый сдвиг сигнала. Это обеспечивается равенством постоянной времени интегрирующей цепи R3C1 и дифференцирующей цепи R4C2
Тогда частота, при которой будет сдвиг фаз равный нулю, определяется следующим выражением
При данном условии коэффициент передачи цепи ПОС будет равен 1/3. Поэтому для того чтобы компенсировать данное условие коэффициент передачи цепи ООС должен быть равен 3, то есть
Генератор с мостом Вина обеспечивает выходной синусоидальный сигнал с небольшими искажениями – порядка 0,05 %. Однако у данного типа генератора существует серьёзная проблема в том, что для получения качественного синусоидального сигнала необходимо обеспечить точные соотношения резисторов в цепи ООС R1 и R2, то есть обеспечить коэффициент передачи цепи равный трём (β = 1/3). Так если β 1/3 даже если и возникнут колебания их амплитуда будет постепенно уменьшаться и со временем станет равной нулю. Поэтому для стабилизации работы генератора Вина применяют различные автоматические системы стабилизации амплитуды.
Улучшение параметров генератора Вина
Как указывалось выше оптимальное значение коэффициента передачи ООС (β = 1/3) обеспечить практически невозможно, поэтому применяют системы автоматической стабилизации амплитуды. Данная система работает так чтобы воздействовать на коэффициент передачи схемы и при заданной частоте стабилизировать колебания при небольших искажениях.
В основе систем стабилизации амплитуды лежат свойство нелинейных элементов под действием напряжения изменять своё внутренне сопротивление. Одна из простейших схем стабилизации содержит два полупроводниковых диода включённых в цепь ООС
Схема генератора Вина на ОУ с простейшей системой автоматической стабилизации амплитуды.
В данной схеме последовательно с резистором обратной связи R2 включены два диода VD1VD2 по встречно-параллельной схеме, чем обеспечивается стабилизация амплитуды положительной и отрицательной полуволн синусоидального сигнала.
Как известно p-n-переход диода имеет динамическое сопротивление, имеющее обратную зависимость от протекающего через диод тока
где 26 (мВ) – температурный потенциал p-n-перехода,
IД (А) – мгновенное значение тока протекающего через диод.
Таким образом, коэффициент передачи цепи ООС будет определяться следующим выражением
При возрастании амплитуды выходного напряжения, ток, протекающий через диод, увеличивается, как следствие уменьшается динамическое сопротивление диода, и возрастает коэффициент передачи цепи ООС, тем самым уменьшая амплитуду выходного напряжения.
При реализации данной схемы величину резистора R2 следует брать несколько меньшей, чем в схеме без стабилизации амплитуды, чтобы β « Предыдущая статья
Источник