У радіоаматорській практиці часто виникає потреба використовувати генератор синусоїдальних коливань. Застосування йому можна знайти найрізноманітніші. Розглянемо як створити генератор синусоїдального сигналу на мосту Вина зі стабільною амплітудою та частотою.

У статті описується розробка схеми синусоїдального генератора сигналу. Згенерувати потрібну частоту можна і програмно:

Найбільш зручним, з погляду складання та налагодження, варіантом генератора синусоїдального сигналу є генератор, побудований на мосту Вина, на сучасному Операційному Підсилювачі (ОУ).

Міст Вина

Сам собою міст Вина є смуговим фільтром, що складається з двох . Він виділяє центральну частоту і пригнічує інші частоти.

Міст вигадав, Макс Він ще в 1891 році. На принциповій схемі сам міст Вина зазвичай зображується наступним чином:

Картинка запозичена у Вікіпедії

Міст Вина має відношення вихідної напруги до вхідної b=1/3 . Це важливий момент, оскільки цей коефіцієнт визначає умови стабільної генерації. Але про це трохи пізніше

Як розрахувати частоту

На мосту Вина часто будують автогенератори та вимірювачі індуктивності. Щоб не ускладнювати собі життя зазвичай використовують R1=R2=R і C1=C2=C . Завдяки цьому можна спростити формулу. Основна частота моста розраховується із співвідношення:

f=1/2πRC

Практично будь-який фільтр можна розглядати як дільник напруги, що залежить від частоти. Тому при виборі номіналів резистора і конденсатора бажано, щоб на резонансній частоті комплексний опір конденсатора (Z), було рівним, або хоча б одного порядку з опором резистора.

Zc=1/ωC=1/2πνC

де ω (омега) - циклічна частота, ν (ню) - лінійна частота, ω=2πν

Міст Вина та операційний підсилювач

Сам собою міст Вина не є генератором сигналу. Для виникнення генерації його слід розмістити у ланцюзі позитивного зворотного зв'язку операційного підсилювача. Такий автогенератор можна збудувати і на транзисторі. Але використання ОУ явно спростить життя та дасть найкращі характеристики.

Коефіцієнт посилення на трієчку

Міст Вина має коефіцієнт пропускання b=1/3 . Тому умовою генерації і те, що ОУ має забезпечувати коефіцієнт посилення рівний трьом. У такому випадку добуток коефіцієнтів пропускання моста Вина та посилення ОУ дасть 1. І відбуватиметься стабільна генерація заданої частоти.

Якби світ був ідеальним, то задавши резисторами в ланцюгу негативного зворотного зв'язку, потрібний коефіцієнт посилення, ми отримали готовий генератор.

Це неінвертуючий підсилювач та його коефіцієнт підсилення визначається співвідношенням:K=1+R2/R1

Але, на жаль, світ не ідеальний. … На практиці виявляється, що для запуску генерації необхідно, щоб у початковий момент коеф. посилення був трохи більше трьох, а далі для стабільної генерації він підтримувався рівним три.

Якщо коефіцієнт підсилення буде менше 3, то генератор заглухне, якщо більше — сигнал, досягнувши напруги живлення, почне спотворюватися, і настане насичення.

При насиченні на виході буде підтримуватися напруга, близька до однієї з напруг живлення. І відбуватимуться випадкові хаотичні перемикання між напругою живлення.

Тому, будуючи генератор на мосту Вина, вдаються до використання нелінійного елемента ланцюга негативної зворотний зв'язок, регулюючого коефіцієнт посилення. У такому разі генератор сам себе врівноважуватиме і підтримуватиме генерацію на однаковому рівні.

Стабілізація амплітуди на лампі розжарювання

У найкласичнішому варіанті генератора на мосту Вина на ОУ застосовується мініатюрна низьковольтна лампа розжарювання, яка встановлюється замість резистора.

При включенні такого генератора в перший момент спіраль лампи холодна і її опір мало. Це сприяє запуску генератора (K>3). Потім, у міру нагрівання, опір спіралі збільшується, а коефіцієнт посилення знижується, поки не дійде рівноваги (K=3).

Ланцюг позитивного зворотного зв'язку, в який був поміщений міст Вина, залишається без змін. Загальна принципова схема генератора виглядає так:

Елементи позитивного зворотного зв'язку ОУ визначають частоту генерації. А елементи негативного зворотного зв'язку – посилення.

Ідея використання лампочки, як керуючого елемента, дуже цікава і використовується до цього дня. Але у лампочки, на жаль, є ряд недоліків:

• потрібен підбір лампочки та струмообмежувального резистора R*.
• при регулярному використанні генератора термін життя лампочки зазвичай обмежується кількома місяцями
• Керуючі властивості лампочки залежать від температури у кімнаті.

Іншим цікавим варіантом є застосування терморезистора із прямим підігрівом. По суті, ідея та сама, тільки замість спіралі лампочки використовується терморезистор. Проблема в тому, що його потрібно для початку знайти і знову таки підібрати його і резистори, що струмообмежують.

Стабілізація амплітуди на світлодіодах

Ефективним методом стабілізації амплітуди вихідної напруги генератора синусоїдальних сигналів є застосування в ланцюзі негативного зворотного зв'язку ОУ світлодіодів ( VD1 і VD2 ).

Основний коефіцієнт посилення задається резисторами R3 і R4 . Інші ж елементи ( R5 , R6 і світлодіоди) регулюють коефіцієнт підсилення у невеликому діапазоні, підтримуючи генерацію стабільної. Резистором R5 можна регулювати величину вихідної напруги в інтервалі приблизно 5-10 вольт.

У додатковому ланцюзі ОС бажано використовувати низькоомні резистори ( R5 і R6 ). Це дозволить пропускати значний струм (до 5мА) через світлодіоди, і вони будуть перебувати в оптимальному режимі. Навіть трохи світитимуться:-)

На наведеній вище схемі, елементи мосту Вина розраховані для генерації на частоті 400 Гц, однак вони можуть бути легко перераховані для будь-якої іншої частоти за формулами, представленими на початку статті.

Якість генерації та застосовуваних елементів

Важливо, щоб операційний підсилювач міг забезпечити необхідний для генерації струм і мав достатню смугу пропускання по частоті. Використання ОУ народних TL062 і TL072 дало дуже сумні результати на частоті генерації 100кГц. Форму сигналу було важко назвати синусоїдальною, скоріше це був трикутний сигнал. Використання TDA 2320 дало ще гірший результат.

А ось NE5532 показує себе з відмінного боку, видавши на виході сигнал дуже схожий на синусоїдальний. LM833 так само впоралася із завданням на відмінно. Так що саме NE5532 та LM833 рекомендуються до використання як доступні та поширені якісні ОУ. Хоча зі зниженням частоти краще себе почуватимуть і інші ОУ.

Точність частоти генерації безпосередньо залежить від точності елементів частотозалежного ланцюга. І в даному випадку важлива не лише відповідність номіналу елемента напису на ньому. Точніші деталі мають кращу стабільність величин при зміні температури.

В авторському варіанті були застосовані резистор типу С2-13±0.5% та слюдяні конденсатори точністю ±2%. Застосування резисторів зазначеного типу обумовлено малою залежністю їхнього опору від температури. Слюдяні конденсатори мало залежать від температури і мають низький ТКЕ.

Мінуси світлодіодів

На світлодіодах варто зупинитись окремо. Їх використання у схемі синус генератора викликано величиною падіння напруги, що зазвичай лежить в інтервалі 1.2-1.5 вольта. Це дозволяє отримувати досить високе значення вихідної напруги.

Після реалізації схеми, на макетній платі, з'ясувалося, що через розкид параметрів світлодіодів, фронти синусоїди на виході генератора не симетричні. Це трохи помітно навіть на наведеній вище фотографії. Крім цього були присутні невеликі спотворення форми синуса, що генерується, викликані недостатньою швидкістю роботи світлодіодів для частоти генерації 100 кГц.

Діоди 4148 замість світлодіодів.

Світлодіоди були замінені на всі улюблені діоди 4148. Це доступні швидкодіючі сигнальні діоди зі швидкістю перемикання менше 4 нс. Схема при цьому залишилася повноцінно працездатною, від описаних вище проблем не залишилося і сліду, а синусоїда набула ідеального вигляду.

На наступній схемі елементи вина моста розраховані на частоту генерації 100 кГц. Також змінний резистор R5 був замінений на постійні, але про це пізніше.

На відміну від світлодіодів, падіння напруги на p-n переході звичайних діодів становить 0.6÷0.7, тому величина вихідної напруги генератора склала близько 2.5 В. Для збільшення вихідної напруги можливе включення декількох діодів послідовно, замість одного, наприклад ось так:

Однак збільшення кількості нелінійних елементів зробить генератор більш залежним від зовнішньої температури. З цієї причини було вирішено відмовитися від такого підходу та використати по одному діоду.

Заміна змінного резистора постійними

Тепер про підстроювальний резистори. Спочатку як резистор R5 був застосований багатооборотний підстроювальний резистор на 470 Ом. Він дозволяв точно регулювати величину вихідної напруги.

При побудові будь-якого генератора дуже бажана наявність осцилографа. Змінний резистор R5 безпосередньо впливає на генерацію як на амлітуду так і на стабільність.

Для представленої схеми генерація стабільна лише невеликому інтервалі опорів цього резистора. Якщо співвідношення опорів більше за потрібне — починається кліпінг, тобто. синусоїда підрізатиметься зверху та знизу. Якщо менше — форма синусоїди починає спотворюватись, а при подальшому зменшенні генерація глухне.

Так само це залежить від використовуваної напруги живлення. Схема, що описується, вихідно була зібрана на ОУ LM833 з харчуванням ±9В. Потім, без зміни схеми, ОУ були замінені AD8616, а напруга живлення на ±2,5В (максимум для цих ОУ). У результаті такої заміни синусоїда на виході підрізалася. Підбір резисторів дав значення 210 і 165 ом, замість 150 і 330 відповідно.

Як підібрати резистори «на око»

У принципі можна залишити і підстроювальний резистор. Все залежить від необхідної точності і частоти синусоїдального сигналу, що генерується.

Для самостійного підбору слід насамперед встановити підстроювальний резистор номіналом 200-500 Ом. Подавши вихідний сигнал генератора на осцилограф і обертаючи резистор підлаштування дійти до моменту коли почнеться обмеження.

Потім знижуючи амплітуду знайти положення, в якому форма синусоїди буде найкращою. Тепер можна випаяти підстроєчник, заміряти величини опорів, що вийшли, і впаяти максимально близькі значення.

Якщо вам потрібний генератор синусоїдального сигналу звукової частоти, можна обійтися і без осцилографа. Для цього, знову ж таки, краще дійти до моменту, коли сигнал, на слух, почне спотворюватися через підрізання, а потім зменшити амплітуду. Зменшувати слід до тих пір, поки спотворення не пропадуть, а потім ще трохи. Це потрібно т.к. на слух не завжди можна вловити спотворення і на 10%.

Додаткове посилення

Генератор синуса був зібраний на здвоєному ОУ і половина мікросхеми залишилася висіти в повітрі. Тому логічно задіяти її під регульований підсилювач напруги. Це дозволило перенести змінний резистор додаткового ланцюга ОС генератора в каскад підсилювача напруги для регулювання вихідної напруги.

Застосування додаткового підсилювального каскаду гарантує найкраще узгодження виходу з навантаженням генератора. Він був побудований за класичною схемою підсилювача, що не інвертує.

Зазначені номінали дозволяють змінювати коефіцієнт посилення від 2 до 5. За потреби номінали можна перерахувати під необхідне завдання. Коефіцієнт посилення каскаду визначається співвідношенням:

K=1+R2/R1

Резистор R1 являє собою суму послідовно включених змінного та постійного резисторів. Постійний резистор потрібен, щоб при мінімальному положенні ручки змінного резистора коефіцієнт посилення не пішов у нескінченність.

Як помічнити вихід

Генератор передбачався до роботи на низкоомную навантаження кілька Ом. Зрозуміло, жоден малопотужний ОУ не зможе видати необхідний струм.

Для умощування, на виході генератора розмістився повторювач TDA2030. Усі смакоти такого застосування цієї мікросхеми описані у статті.

А ось так власне виглядає схема всього синусоїдального генератора з підсилювачем напруги та повторювачем на виході:

Генератор синуса на мосту Вина можна зібрати і на TDA2030 як ОУ. Все залежить від необхідної точності та обраної частоти генерації.

Якщо немає особливих вимог до якості генерації і необхідна частота не перевищує 80-100 кГц, але при цьому передбачається робота на низькоомне навантаження, цей варіант вам ідеально підійде.

Висновок

Генератор на мосту Вина це не єдиний спосіб генерації синусоїди. Якщо ви потребуєте високоточної стабілізації частоти, то краще дивитися в бік генераторів з кварцовим резонатором.

Однак, описана схема, підійде для переважної більшості випадків, коли потрібно отримання стабільного, як за частотою так і амплітудою, синусоїдального сигналу.

Генерація це добре, а як виміряти величину змінної напруги високої частоти? Для цього відмінно підходить схема яка називається.

Матеріал підготовлений виключно для сайту

Існує апаратура і прилади, як живляться від електромережі, а й у яких електромережа служить джерелом таких імпульсів, необхідні роботи схеми приладу. При живленні таких приладів від електромережі з іншою частотою або від автономного джерела виникає проблема з тим, звідки взяти тактову частоту.

Тактова частота в таких приладах зазвичай дорівнює частоті мережі (60 або 50 Гц) або дорівнює подвоєній частоті мережі, коли в схемі приладу джерелом тактових імпульсів служить схема на основі мостового випрямляча без згладжуючого конденсатора.

Нижче наводиться чотири схеми генераторів імпульсів частот 50 Гц, 60 Гц, 100 Гц та 120 Гц, побудованих на основі мікросхеми CD4060B та годинникового кварцового резонатора на 32768 Гц.

Схема генератора на 50 Гц

Мал. 1. Принципова схема генератора сигналу частотою 50 Гц.

На малюнку 1 показано схему генератора частоти 50 Гц. Частота стабілізована кварцовим резонатором Q1 на 32768 Гц, з його виходу всередині мікросхеми D1 імпульси надходять на двійковий лічильник. Коефіцієнт розподілу частоти заданий діодами VD1-VD3 і резистором R1, які обнуляють лічильник щоразу, коли його стан досягає 656. При цьому, 32768/656 = 49,9512195.

Це не зовсім 50 Гц, але дуже близько. До того ж, підбором ємностей конденсаторів С1 та С2 можна трохи змінити частоту кварцового генератора та отримати результат ближчий до 50 Гц.

Схема генератора на 60 Гц

На малюнку 2 показано схему генератора частоти 60 Гц. Частота стабілізована кварцовим резонатором Q1 на 32768 Гц, з його виходу всередині мікросхеми D1 імпульси надходять на двійковий лічильник.

Мал. 2. Принципова схема генератора сигналу частотою 60 Гц.

Коефіцієнт поділу частоти заданий діодами VD1-VD2 і резистором R1, які обнулюють лічильник щоразу, коли його стан досягає 544. При цьому, 32768/544 = 60,2352941. Це зовсім 60 Гц, але близько.

До того ж, підбором ємностей конденсаторів С1 та С2 можна трохи змінити частоту кварцового генератора та отримати результат ближчий до 60 Гц.

Схема генератора на 100 Гц

На малюнку 3 показано схему генератора частоти 100 Гц. Частота стабілізована кварцовим резонатором Q1 на 32768 Гц, з його виходу всередині мікросхеми D1 імпульси надходять на двійковий лічильник. Коефіцієнт розподілу частоти заданий діодами VD1-VD3 і резистором R1, які обнуляють лічильник щоразу, коли його стан досягає 328. При цьому, 32768/328 = 99,902439.

Мал. 3. Принципова схема генератора сигналу частотою 100 Гц.

Це не зовсім 100 Гц, але близько. До того ж, підбором ємностей конденсаторів С1 та С2 можна трохи змінити частоту кварцового генератора та отримати результат ближчий до 100 Гц.

Генератор на 120 Гц

На малюнку 4 показано схему генератора частоти 120 Гц. Частота стабілізована кварцовим резонатором Q1 на 32768 Гц, з його виходу всередині мікросхеми D1 імпульси надходять на двійковий лічильник. Коефіцієнт розподілу частоти заданий діодами VD1-VD2 і резистором R1, які обнуляють лічильник щоразу, коли його стан досягає 272. При цьому, 32768/272 = 120,470588.

Це не зовсім 120 Гц, але близько. До того ж, підбором ємностей конденсаторів С1 і С2 можна трохи змінити частоту кварцового генератора і отримати результат ближчий до 120 Гц.

Мал. 4. Принципова схема генератора сигналу частотою 120 Гц.

Напруга джерела живлення може бути від 3 до 15V, залежно від напруги живлення схеми, вірніше від необхідної величини логічного рівня. Вихідні імпульси у всіх схемах несиметричні, це потрібно враховувати при їх конкретному застосуванні.

Формувач імпульсів із періодом в одну хвилину

На малюнку 5 показана схема формувача імпульсів з періодом в одну хвилину, наприклад, для цифрових електронних годин. На вхід надходить сигнал частотою 50 Гц від електромережі через трансформатор, дільник напруги або оптопару, або іншого джерела частоти 50 Гц.

Резистори R1 і R2 разом з інверторами мікросхеми D1, призначеними для схеми тактового генератора, утворюють тригер Шмітта, тому форму вхідного сигналу можна не турбуватися, це може бути і синусоїда.

Рис.5. Схема формувача імпульсів з періодом одну хвилину.

Діодами VD1-VD7 коефіцієнт розподілу лічильника обмежений значенням 2048+512+256+128+32+16+8=3000, що з вхідний частоті 50 Гц на виведенні 1 мікросхеми дає імпульси з періодом одну хвилину.

Додатково з виведення 4 можна знімати імпульси частотою 0,781 Гц, наприклад, для встановлення лічильників годин та хвилин на поточний час. Напруга джерела живлення може бути від 3 до 15V, залежно від напруги живлення схеми електронного годинника, вірніше, від необхідної величини логічного рівня.

Снєгірьов І. РК-11-16.

Генератор тестового сигналу з низьким рівнем гармонік на мосту Вина

Коли нема під рукою якісного генератора синусоїдального сигналу- як налагоджувати підсилювач, який ти розробляєш? Доводиться обходитися підручними засобами.

В цій статті:

• Висока лінійність під час використання бюджетного ОУ
• Точна система АРУ, що вносить мінімум спотворень
• Можливість роботи від батареї: мінімум перешкод

Передісторія

На початку тисячоліття подалися ми всім сімейством на життя-буття в далекі країни. Дещо з моїх електронних запасів було за нами, але, на жаль, далеко не все. Отже виявився я віч-на-віч із великими зібраними мною, але зовсім ще не налагодженими моноблоками, без осцилографа, без генератора сигналів, з величезним бажанням завершити той проект і слухати нарешті музику. Осцилографу вдалося випросити в друга у тимчасове користування. З генератором треба було терміново щось винаходити самому. На той час я ще не освоївся з доступними тут постачальниками компонентів. З операцій, що випадково опинилися під рукою, було кілька незручних продуктів давньо-радянської електронної промисловості, та LM324, випаяний з згорілого комп'ютерного блоку живлення.
LM324 datasheet: National/TI , Fairchild , OnSemi ... Люблю читати даташити від National - у них зазвичай маса цікавих прикладів застосування деталей. Насемі в даному випадку теж подметушилися. А ось "Циганя" щось обділило своїх прихильників 🙂

Класика жанру

Допоможи автору!

У цій статті було показано кілька нескладних прийомів, що дозволяють досягти вельми якісної генерації та посилення синусоїдального сигналу, використовуючи широко поширений недорогий операційний підсилювач та польовий транзистор з p-n переходом:

• Обмеження діапазону автоматичного регулювання рівня та зменшення впливу нелінійності регулюючого елемента;
• Усунення вихідного каскаду ОУ в лінійний режим роботи;
• Вибір оптимального рівня віртуальної землі для роботи батареї.

Чи все було зрозуміло? Чи знайшов ти щось нове, оригінальне у цій статті? Мені буде приємно, якщо ти залишиш коментар або поставиш питання, а так само - поділишся статтею з друзями в соціальній мережі, "клікнувши" відповідну іконку нижче.

Доповнення (Жовтень 2017)Потрапило на просторах Мережі: http://www.linear.com/solutions/1623. Зробив два висновки:

1. Ніщо не нове під Місяцем.
2. Чи не ганявся б ти, піп, за дешевизною! Взяв би нормальний ОУ тоді – і одержав би зразково низький Кг.

This entry was posted in , by . Bookmark the.

Коментарі ВКонтакте

254 thoughts on “ Генератор тестового сигналу з низьким рівнем гармонік на мосту Вина”

Цей сайт використовує Akismet для боротьби зі спамом.

Інвертор складається з генератора, що задає, на 50 Герц (до 100 Гц), який побудований на основі самого звичайного мультивібратора. З моменту публікації схеми спостерігав, що багато хто успішно повторив схему, відгуки досить хороші - проект вдався.

Дана схема дозволяє отримати на виході майже мережні 220 Вольт із частотою 50Гц (залежить від частоти мультивібратора. На виході нашого інвертора прямокутні імпульси, але з висновками прошу не поспішати – такий інвертор придатний для живлення майже всіх побутових навантажень, за винятком тих навантажень, які мають вбудований двигун, який чутливий до форми сигналу, що подається.

ТБ, програвачі, зарядні пристрої від портативних ПК, ноутбуків, мобільних пристроїв, паяльники, лампи розжарювання, світлодіодні лампи, ЛДС, навіть персональний комп'ютер - все це можна без проблем живити від пропонованого інвертора.

Декілька слів про потужність інвертора. Якщо задіяти одну пару силових ключів серії IRFZ44 потужність близько 150 Вт, нижче вказана вихідна потужність залежно від кількості пар ключів та їх типу

Транзистор Кількість пар.Потужність (Вт)
IRFZ44/46/48 1/2/3/4/5 250/400/600/800/1000
IRF3205/IRL3705/IRL 2505 1/2/3/4/5 300/500/700/900/1150
IRF1404 1/2/3/4/5 400/650/900/1200/1500Max

Але і це ще не все, один із тих людей, який зібрав цей прилад відписувався з гордістю, що йому вдалося зняти до 2000 ват, зрозуміло і це реально, якщо використовувати скажімо 6 пар IRF1404 - справді забійні ключі зі струмом 202Ампер, але зрозуміло максимальний Струм не може доходити до таких значень, оскільки висновки при таких струмах просто б розплавилися.

Інвертор має функцію REMOTE (Ремоут контроль). Фішка в тому, що для запуску інвертора потрібно подати малопотужний плюс від АКБ на лінію, до якого підключені малопотужні мультивібраторні резистори. Декілька слів про самих резистори - все брати з потужністю 0,25 Вт - вони не будуть перегріватися. Транзистори у мультивібраторі потрібні досить потужні, якщо збираєтесь качати кілька пар силових ключів. З наших підійдуть КТ815/17, а ще краще КТ819 або імпортні аналоги.

Конденсатори - є частотнозадающими, їх ємність 4.7мкФ, при такому розкладі компонентів мультивібратора частота інвертора буде в районі 60Гц.
Трансформатор я взяв від старого безперебійника, потужність трансу підбирається виходячи з потрібної (розрахункової) потужності інвертора, первинні обмотки 2 по 9 Вольт (7-12 Вольт), вторинна обмотка стандарт - мережна.
Конденсатори плівкові, з розрахунковою напругою 63/160 і більше вольт, беріть під рукою.

Ну ось і все, додам тільки, що силові ключі при великій потужності будуть нагріватися як піч, їм потрібне дуже хороше тепловідведення плюс активне охолодження. Не забуваємо ізолювати пари одного плеча від тепловідведення, щоб уникнути КЗ транзисторів.

Інвертор не має жодних захистів та стабілізації, можлива напруга відхилятиметься від 220 Вольт.

Завантажити друковану плату із сервера

З повагою - АКА КАСЬЯН