Генераторы на операционных усилителях: DSpace at Saint Petersburg State University: Invalid Identifier

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 12

7 февраля 2019

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

ШИМ-генератор на ОУ

Исходные данные к расчету представлены в таблице 34.

Таблица 34. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Данная схема использует генератор треугольных импульсов и компаратор для формирования ШИМ-сигнала с частотой 500 кГц и коэффициентом заполнения, обратно пропорциональным входному напряжению (рисунок 42). Операционный усилитель (U₃) и компаратор (U₄) генерируют треугольный сигнал, подаваемый на инвертирующий вход второго компаратора (U

Рис. 42. Схема ШИМ-генератора

Рекомендуем обратить внимание:

• используйте компаратор c выходом типа “push-pull” и минимальным временем задержки;
• Применяйте ОУ с подходящими значениями скорости нарастания, GBW и диапазона выходных напряжений;
• частота полюса, создаваемого конденсатором С, должна лежать ниже частоты переключений и значительно выше слышимого звукового диапазона;
• импеданс источника опорного напряжения должен быть минимальным. Для этой цели может быть использован выход ОУ.

Порядок расчета

• Выбираем коэффициент усиления для входного сигнала по формуле 1:

$$GAIN=-\frac{R_{4}}{R_{3}}=-1\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Задаем R₃ = R₄ = 10 кОм.

• Выбираем сопротивления R₁ и R₂ для деления опорного напряжения и получения единичного усиления сигнала на неинвертирующем входе (формула 2):

$$V_{O\_DC}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\times V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 10 кОм.

Тогда V_{O_DC} = 2,5 В.

• Амплитуда V_tri должна быть выбрана выше максимальной амплитуды входного напряжения (2,0 В), чтобы избежать коэффициента заполнения ШИМ-сигнала 0% и 100%. Выбираем V_tri = 2,1 В. Амплитуда V₁ = 2,5 В (формула 3):

$$V_{tri}\:(амплитуда)=\frac{R_{5}}{R_{6}}\times V_{1}\:(амплитуда)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Задаем R₆ = 10 кОм и определяем R

$$R_{5}=\frac{V_{tri}\:(амплитуда)\times R_{6}}{V_{1}\:(амплитуда)}=8.4\:кОм\approx 8.45\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

• Задаем частоту ШИМ 500 кГц, исходя из формулы 5:

$$f_{t}=\frac{R_{6}}{4\times R_{7}\times R_{5}\times C_{3}}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Задаем С₃ = 100 пФ и рассчитываем R₇ по формуле 6:

$$R_{7}=\frac{R_{6}}{4\times f_{t}\times R_{5}\times C_{3}}=5.92\:кОм\approx 5.90\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

• Выбираем С₁ для ограничения полосы пропускания усилителя ниже частоты ШИМ (формула 7):

$$f_{p}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{4}\times C_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

С₁ = 100 пФ → f_p = 159 кГц

• Выбираем С₂ для фильтрации шума V_ref и подставляем в формулу 8:

C₂ = 100 нФ (номинал).

$$f_{div}=\frac{R_{6}}{2\pi \times R_{1}\parallel R_{2}\times C_{2}}=320\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ) изображено на рисунке 43.

Рис. 43. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного

Осциллограмма переходных процессов представлена на рисунке 44.

Рис. 44. Осциллограммы переходных процессов

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 35.

Таблица 35. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативы могут использоваться ОУ, параметры которых представлены в таблице 36

Таблица 36. Параметры альтернативных ОУ

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
2. Инвертирующий усилитель
3. Неинвертирующий усилитель
4. Инвертирующий сумматор
5. Дифференциальный усилитель
6. Интегратор
7. Дифференциатор
8. Трансимпедансный усилитель
9. Однополярная схема измерения тока
10. Биполярная схема измерения тока
11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОУ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

Функциональные генераторы предназначены для синхронного формирования сигналов синусоидальной, прямоугольной и пилообразной формы в области частот, обычно не превышающей единиц мегагерц.

Схема типового функционального генератора

Функциональный генератор или генератор, способный одновременно генерировать сигналы прямоугольной и пилообразной формы, обычно состоит из двух частей (рис. 36.1):

♦  неинвертирующего триггера Шмитта на микросхеме DA1;

♦  интегратора на микросхеме DA2.

Интегратор на микросхеме DA2 интегрирует напряжение, снимаемое с выхода триггера Шмитта на микросхеме DA1. Напряжение на выходе интегратора нарастает (прямой ход «пилы»). Когда выходное напряжение интегратора превысит порог переключения триггера Шмитта, происходит его скачкообразное переключение, напряжение на выходе триггера сменит знак.

Напряжение на выходе интегратора начнет изменяться в обратную сторону (спадающий участок «пилы»). Спад напряжения происходит до тех пор, пока это напряжение не сравняется со вторым, нижним, порогом срабатывания триггера Шмитта. Произойдет очередное его переключение, и процесс будет периодически повторяться.

Период генерируемых колебаний можно вычислить из приближенного выражения

Примечание.

Таким образом, частота генерируемых сигналов прямо пропорционально ‘ зависит от произведения RC-элементов интегрирующей цепочки R3C1 и не зависит от напряжения питания. С выходов генератора можно одновременно снимать сигналы прямоугольной и треугольной формы.

Несколько усложнив схему функционального генератора, можно получить на его выходе сигнал и синусоидальной формы. Обычно для

получения такого сигнала используют сигнал треугольной формы с его последующей обработкой.

Рис. 36. Ί. Схема типового функционального генератора (фрагмент)

Функциональный генератор по типовой схеме (рис. 36.2) выполнен двух операционных усилителях в однокорпусном исполнении

Рис. 36.2. Схема функционального генератора

[36.1]. При С 1=4,7 нФ частота генерации — 30 кГц, при 0=47 нФ —

20 Гц. Напряжение питания генератора может варьироваться в пределах 4,5—18 В.

Функциональный генератор (рис. 36.3) при изменении величины управляющего напряжения в пределах от 0,25 до 50 В синхронно изменяет частоту выходных сигналов прямоугольной и пилообразной формы в пределах от 700 Гц до 100 кГц [36.2].

Рис. 36.3. Схема широкодиапазонного функционального генератора на основе компараторов LM 7 93

Регулируемый функциональный генератор (рис. 36.4) выполнен на трех одинаковых операционных усилителях, например, типа LM148, собранных в одном корпусе для компактности [36.3]. Генератор способен вырабатывать одновременно пилообразные и прямоугольные импульсы, форму которых (А) и (В) можно ступенчато менять, пользуясь переключателем S1. Соотношение времен Т1 и Т2 определяется соотношением коммутируемых переключателем S1 резисторов, например, R:R/100. Периоды времен Т1 и Т2 определяются как T1=2RC и T2=RC/50.

Рис. 36.4. Схема регулируемого функционального генератора

Учитывая высокую актуальность функциональных генераторов, были созданы специализированные микросхемы таких генераторов. Примером функционального генератора является микросхема ICL8038 фирмы Harris Semiconductor.

Генератор, выполненный по типовой схеме включения (рис. 36.5), при варьировании номиналов RC-элементов способен работать в диапазоне частота 0,001 Гц — 300 кГц. Искажения формы синусоидального сигнала не превышают 1 %. Ширину прямоугольного (треугольного) импульса можно регулировать в пределах 2—98 %.

Рис. 36.5. Типовое включение микросхемы ICL8038 в качестве функционального генератора

Напряжение питания ±(5—15) В при двуполярном питании или 10—30 В — при однополярном. Потребляемый микросхемой ток не превышает 20 мА (номинальный — 12 мА) при напряжении питания ±10 В. Амплитуда выходного напряжения треугольной формы на сопротивлении нагрузки 100 кОм достигает 1/3 от напряжения питания, для сигнала синусоидальной формы — до 0,22 от напряжения питания.

Варианты подключения внешних элементов регулировки режима работы микросхемы ICL8038 приведены на рис. 36.6.

При использовании микросхемы ICL8038 (рис. 36.7) удобно

Рис. 36.6. Варианты подключения резистивных элементов к микросхеме ICL8038

Рис. 36.7. Вариант включения микросхемы ICL8038 с частотной модуляцией генерируемых сигналов

осуществлять частотную модуляцию генерируемых сигналов. Используя эту особенность микросхемы несложно создать генератор сигналов прямоугольной, треугольной и синусоидальной формы, одновременно управляемых уровнем внешнего напряжения.

Для уменьшения искажений сигнала синусоидальной формы применяют регулировки, предусмотренные схемным решением, представленным на рис. 36.8.

Рис. 36.8. Схема включения микросхемы ICL8038 с минимизацией искажения сигнала синусоидальной формы

Для того чтобы повысить нагрузочную способность генератора используют схему, показанную на рис. 36.9. Использован обычный буферный каскад, который можно использовать для каждого из выходов функционального генератора. Сопротивление нагрузки определяется выбором

микросхемы ОУ; для приведенного случая сопротивление нагрузки не должно быть менее 1 кОм.

Рис. 36.9. Схема функционального генератора на микросхеме ICL8038 с повышенной нагрузочной способностью для сигнала синусоидальной формы

Рис. 36Л0. Схема функционального генератора на микросхеме ICL8038 с регулировкой частоты от 20 Гц до 20 кГц

Практическая схема широкодиапазонного функционального генератора, перекрывающего весь диапазон звуковых частот, приведена на рис. 36.10. Потенциометром R7 минимизируют искажения сигнала синусоидальной формы. Потенциометр R3 предназначен для регулировки соотношения импульс/ пауза (или симметрии) генерируемых сигналов. Потенциометром R10 регулируют частоту генерируемых сигналов.

Аддитивный формирователь сигналов треугольной формы

Электрические сигналы треугольной формы обычно получают при использовании зарядно-разрядных процессов в RC-цепочках. В работах [36.4—36.6] описан и проанализирован [36.7] принцип формирования сигналов треугольной формы путем противофазного сложения выпрямленных с использованием двухполупериодных выпрямителей сигналов синусоидальной формы, сдвинутых между собой на угол 90°. Ниже приведен вариант практической реализации перестраиваемого по частоте генератора сигналов треугольной формы, использующий данный принцип синтеза.

На микросхемах DA1—DA3 собран LR-генератор сигналов синусоидальной формы, с выходов которого снимаются сдвинутые по фазе на угол 90° сигналы (точки А и В). Эти сигналы подаются на входы двух прецизионных выпрямителей, выполненных на микросхемах DA4, DA5 и DA6, DA7, соответственно. Сигналы с выходов выпрямителей (точки С и D) смешиваются на резистивном сумматоре-делителе напряжения R13, R15, R16 (точка Е). Выходной сигнал (точка Е) имеет треугольную форму с отклонением от линейности до 3 %.

Рабочая частота генератора определяется номиналами частотозадающих цепей — индуктивностей LI, L2, сдвоенного потенциометра R9, R10 и резисторов R7, R8. Для указанных номиналов диапазон частоты перестройки составляет 3300—4000 Гц.

Ступенчато изменить частотный диапазон работы можно переключением катушек индуктивности LI, L2. При расширении диапазона перестройки путем дальнейшего изменения соотношения элементов

Рис. 36.11. Схема беземкостного перестраиваемого генератора сигналов треугольной формы

R7/R9=R8/R10 становится заметной выраженная зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Для исключения этого недостатка необходимо либо сузить диапазон перестройки генератора, либо использовать промежуточные усилители с автоматической регулировкой усиления.

Функциональный генератор инверсного построения

При создании функциональных генераторов традиционно используют генератор прямоугольных импульсов, к выходу которого подключают формирователь треугольного напряжения, основанный на зарядно-разрядных процессах. Затем сигнал треугольной формы преобразуют в подобие синусоидального, выделяя из нее первую гармонику [36.8]. Недостатки таких схемных решений очевидны: это явно выраженная нелинейность зарядноразрядных процессов, особенно заметная при перестройке частоты генератора и заметные искажения синусоидального сигнала в результате некачественной фильтрации высших гармоник сложного сигнала.

Ниже описан функциональный генератор, формирование сигналов в котором происходит в обратной последовательности. Вначале формируется сигнал синусоидальной формы, который затем преобразуется в сигнал треугольной формы [36.4—36.6], а из последнего получают биполярный сигнал прямоугольной формы [36.9].

Практическая схема инверсного функционального генератора представлена на рис. 36.12. Устройство содержит генератор сигналов синусоидальной формы (микросхемы DA1—DA3), вырабатывающий сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы подаются на удвоитель частоты С. И. Семенова [36.5] — прецизионные двухполупериодные выпрямители (микросхемы DA4, DA5 и DA9, DA10), выходные сигналы которых складываются в противофазе, формируя тем самым сигнал треугольной формы. Сигнал треугольной формы поступает затем на схему формирования биполярных импульсов прямоугольной формы (микросхемы DA6—DA8).

Диаграммы сигналов в различных точках устройства показаны на рис. 36.12.

Генератор работает в диапазоне частот: для сигналов синусоидальной формы — 50—500 Гц, для сигналов треугольной и прямоугольной формы (с удвоением исходной частоты) — 100—1000 Гц. Рабочую частоту плавно меняют перестройкой сдвоенного потенциометра R9, R10. Ступенчатое переключение диапазона генерируемых частот вплоть до субгерцовых может быть обеспечено переключением частотозадающих конденсаторов С2 и СЗ. Так, при уменьшении емкостей конденсаторов С2 и СЗ в 10 раз, т. е. до 3,3 нФ, диапазон генерируемых частот составляет 1000—10000 Гц по пилообразному и прямоугольному сигналам; по синусоидальному — 500—5000 Гц.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Генераторы на ОУ: мультивибраторы | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! Прошлая статья была посвящена компараторам и триггерам Шмитта на операционных усилителях. Я упоминал, что они служат основой для построения различных видов генераторов колебаний. Среди всех типов генерируемых сигналов можно выделить четыре основных формы импульса: прямоугольная, треугольная, пилообразная и синусоидальная. В соответствии с этими формами импульса получили названия и генераторы сигналов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Принцип построения импульсных генераторов на ОУ

В предыдущих статьях я рассказывал об импульсных генераторах с различной формой импульсов, выполненных на транзисторах. Для простых устройств их, возможно, применять, но для создания сложных устройств с регулировкой различных параметров их схемы оказываются неоправданно трудоёмкими в настройке и разработке. Поэтому для упрощения схемотехнической реализации применяют генераторы импульсов в основе, которых лежат операционные усилители.

В общем случае для получения импульсов различной формы требуется замкнутая система, которая состоит из трёх основных частей: интегратора, компаратора и логической схемы.

Хотя схема состоит из трех частей, но довольно часто в простых генераторах применяют один-два операционных усилителя. Для повышения гибкости и универсальности схем генераторов можно добавлять дополнительные ОУ.

Первой рассматриваемым генератором будет мультивибратор, то есть генератор прямоугольных импульсов.

Автоколебательный мультивибратор на ОУ

Автоколебательный мультивибратор или просто мультивибратор называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора на ОУ

Данный мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1C1.

Рассмотрим работу мультивибратора. В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта, который создается ПОС при помощи резисторов R2R3. Так как опорное напряжение триггера равно нулю, то напряжение верхнего порогового уровня будет равно

а нижнего порога переключения триггера

Таким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю. В тоже время на выходе ОУ, вследствие неидеального ОУ, присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через ПОС R2R3 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Далее происходит усиление этого напряжения и на выходе ОУ происходит дальнейший рост напряжения.

Напряжение с выхода ОУ поступает также через цепочку R1C1, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, то рост напряжения на конденсаторе С1, а следовательно и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входе будет расти, а следовательно будет происходить рост выходного напряжения.

В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе U_C (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего порогового уровня U_ВП триггера Шмитта и выходное напряжение U_ВЫХ скачком станет равным отрицательному напряжению насыщения U_НАС-. В результате чего ток через резистор R1 изменится на противоположный, а конденсатор С1 начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения U_ВП триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения U_НАС+ триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует график расположенный ниже

Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от постоянной времени интегрирующей цепочки R1C1, а также от ширины петли гистерезиса и в общем случае определяется следующим выражением

Не трудно заметить, что при

В случае равенства сопротивлений резисторов в цепи ПОС R2 и R3 соотношения будут выглядеть следующим образом

Улучшение параметров мультивибратора

Стабильность частоты амплитуды генерирования простого мультивибратора, изображённого в начале статьи, во многом определяется стабильностью характеристик насыщения операционного усилителя, поэтому для улучшения параметров выходных импульсов (длительности и амплитуды) необходимо обеспечить стабильность амплитуды выходных импульсов и постоянной времени цепочки R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора, в которой сведены к минимуму недостатки предыдущей схемы.

В данной схеме мультивибратора введены дополнительные элементы: входные резисторы R1 и R3, повышающие входное сопротивление ОУ и двухсторонний параметрический стабилизатор R4VD1VD2, стабилизирующий амплитуду выходных импульсов. Введение резисторов R1 и R3 связано с тем, чтобы увеличить входное сопротивление ОУ, так как они снабжены защитой по входам при больших дифференциальных сигналах. Их величина выбирается на порядок больше, чем сопротивление резисторов R5 и R6 и имеет порядок сотен килом.

Ещё большего улучшения параметров мультивибратора можно добиться, если резистор в интегрирующей RC цепочке заметить транзисторным генератором тока.

Если ставится задача получения несимметричного мультивибратора, то резистор в цепи ООС заменяется двумя параллельными диодно-резисторными цепями, что изображено на рисунке ниже

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя. Схема ждущего мультивибратора показана ниже

Ждущий мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, цепи ПОС на резисторах R4R5, цепи ООС VD1C2R3 и цепи запуска C1R1VD2.

Цикл работы ждущего мультивибратора можно условно разделить на три части: ждущий режим, переход из ждущего режима в состояние выдержки и непосредственно состояние выдержки. Рассмотрим цикл работы мультивибратора подробнее.

Ждущий режим является основной и наиболее устойчивой частью цикла работы данного типа мультивибратора, так как самопроизвольно он не может перейти в следующие части цикла работы ждущего мультивибратора. В данном состоянии на выходе мультивибратора присутствует положительное напряжение насыщения ОУ (U_НАС+), которое через цепь ПОС R4R5 частично поступает на неинвертирующий вход ОУ, тем самым задавая пороговое напряжение переключения мультивибратора (U_ПП), которое определяется следующим выражением

На инвертирующем входе ОУ присутствует напряжение, которое задаётся диодом VD1 (в случае кремневого диода напряжение примерно равно 0,6 – 0,7 В), то есть меньше порога переключения мультивибратора. При данных условиях ждущий мультивибратор может находиться неограниченно долгое время (до тех пор, пока не поступит запускающий импульс).

Переход из ждущего режима в состояние выдержки, является следующей частью цикла работы ждущего мультивибратора и начинается после того, как на вход поступит импульс отрицательной полярности, амплитуда которого превысит двухкратное значение напряжения переключения ждущего мультивибратора. То есть минимальная амплитуда входного напряжения (U_{ВХ min}) должна быть равна

В этом случае напряжение порога переключения ждущего мультивибратора понизится и станет меньше, чем напряжение падения на диоде VD1. Далее произойдёт лавинообразный процесс переключения выходного напряжения и на выходе установится напряжение отрицательного насыщение ОУ (U_НАС-) и ждущий мультивибратор перейдёт в состояние выдержки. При выборе номиналов элементов входной цепи C1 и R1 надо исходить из того, что конденсатор С1 должен полностью разрядиться за время действия входного импульса, то есть постоянная времени цепи C1R1 должна быть на порядок (в десять раз) меньше длительности входного импульса.

Заключительная часть цикла работы ждущего мультивибратора является состояние выдержки. В данном состоянии на неинвертирующий вход поступает часть напряжения с выхода мультивибратора, тем самым задавая пороговое напряжение перехода мультивибратора в ждущий режим. В тоже время выходное напряжение через цепь ООС C1R1 поступает на инвертирующий вход и открывает диод VD1, через который начинает разряжаться конденсатор С1. После разряда конденсатора С1 до 0 В происходит его зарядка через резистор R1 до напряжения перехода мультивибратора в ждущий режим. После чего схема переходит в исходное состояние и на выходе устанавливается напряжение положительного насыщения ОУ (U_НАС+). Длительность состояния выдержки и непосредственно формируемого выходного импульса определяется временем зарядка конденсатора С1 через резистор R1 и в общем случае определяется следующим выражением

Так как ждущий мультивибратор имеет только одно устойчивое состояние, то за ним закрепилось название одновибратора.

Для того чтобы одновибратор вырабатывал положительные импульсы при положительных управляющих входных сигналах необходимо изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Генераторы сигналов — CoderLessons.com

Генератор сигналов — это электронная схема, которая генерирует стандартную волну. Существует два типа генераторов сигналов на основе операционных усилителей —

• Генератор прямоугольных импульсов
• Генератор треугольных волн

В этой главе подробно рассматривается каждый из этих генераторов сигналов на основе операционного усилителя.

Генератор прямоугольной волны

Генератор прямоугольной волны — это электронная схема, которая генерирует прямоугольную волну. В этом разделе обсуждаются генераторы прямоугольных сигналов на основе операционных усилителей.

Принципиальная схема генератора прямоугольных сигналов на основе операционного усилителя показана на следующем рисунке.

Обратите внимание, что на схеме, показанной выше, резистор R1 подключен между инвертирующей входной клеммой операционного усилителя и его выходом операционного усилителя. Итак, резистор R1 используется в отрицательной обратной связи . Аналогично, резистор R2 подключен между неинвертирующей входной клеммой операционного усилителя и его выходом. Итак, резистор R2 используется на пути положительной обратной связи .

Конденсатор С подключен между инвертирующей входной клеммой операционного усилителя и массой. Таким образом, напряжение на конденсаторе C будет входным напряжением на этом инвертирующем выводе операционного усилителя. Аналогично, резистор R3 подключен между неинвертирующей входной клеммой операционного усилителя и массой. Таким образом, напряжение на резисторе R3 будет входным напряжением на этом неинвертирующем выводе операционного усилителя.

Работа генератора прямоугольных импульсов объясняется ниже —

• Предположим, что в конденсаторе изначально нет заряда . Тогда напряжение, присутствующее на инвертирующей клемме операционного усилителя, равно нулю. Но на неинвертирующем выводе операционного усилителя имеется некоторое напряжение смещения. Из-за этого значение, представленное на выходе вышеупомянутой схемы, будет +Vsat.

• Теперь конденсатор C начинает заряжаться через резистор R1. Значение, присутствующее на выходе вышеуказанной схемы, изменится на −Vsat, когда напряжение на конденсаторе C станет чуть больше, чем напряжение (положительное значение) на резисторе R3.

• Конденсатор C начинает разряжаться через резистор R1, когда выходной сигнал вышеупомянутой цепи равен −Vsat. Значение, присутствующее на выходе вышеуказанной схемы, изменится на +Vsat, когда напряжение на конденсаторе C достигает чуть меньше (более отрицательного) напряжения (отрицательного значения) на резисторе R3.

Предположим, что в конденсаторе изначально нет заряда . Тогда напряжение, присутствующее на инвертирующей клемме операционного усилителя, равно нулю. Но на неинвертирующем выводе операционного усилителя имеется некоторое напряжение смещения. Из-за этого значение, представленное на выходе вышеупомянутой схемы, будет +Vsat.

Теперь конденсатор C начинает заряжаться через резистор R1. Значение, присутствующее на выходе вышеуказанной схемы, изменится на −Vsat, когда напряжение на конденсаторе C станет чуть больше, чем напряжение (положительное значение) на резисторе R3.

Конденсатор C начинает разряжаться через резистор R1, когда выходной сигнал вышеупомянутой цепи равен −Vsat. Значение, присутствующее на выходе вышеуказанной схемы, изменится на +Vsat, когда напряжение на конденсаторе C достигает чуть меньше (более отрицательного) напряжения (отрицательного значения) на резисторе R3.

Таким образом, схема, показанная на приведенной выше диаграмме, будет создавать прямоугольную волну на выходе, как показано на следующем рисунке —

Из рисунка выше видно, что выходной сигнал генератора прямоугольных импульсов будет иметь одно из двух значений: +Vsat и −Vsat. Таким образом, выходные данные остаются в одном значении в течение некоторой продолжительности, а затем переходят в другое значение и остаются там в течение некоторой продолжительности. Таким образом, это продолжается.

Генератор треугольных волн

Генератор треугольной волны — это электронная схема, которая генерирует треугольную волну. Блок-схема генератора треугольной волны показана на следующем рисунке —

Блок-схема генератора треугольной волны содержит в основном два блока: генератор прямоугольной волны и интегратор. Эти два блока расположены каскадно . Это означает, что выход генератора прямоугольных импульсов используется как вход интегратора. Обратите внимание, что интеграция прямоугольной волны — не что иное, как треугольная волна.

Принципиальная схема генератора треугольной волны на основе операционного усилителя показана на следующем рисунке —

Мы уже видели принципиальные схемы генератора прямоугольных импульсов и интегратора. Заметьте, что мы получили вышеуказанную принципиальную схему генератора треугольной волны на основе операционного усилителя, заменив блоки соответствующими схемами в блок-схеме генератора треугольной волны.

9.6 Генераторы сигналов на оу

Генераторы сигналов являются неотъемлемым элементом значительной части электронных устройств. Это могут быть как генераторы синусоидальной формы, так и генераторы сигналов специальной формы для различного рода измерительных и индикаторных устройств. В зависимости от конкретного применения к генераторам предъявляются самые разнообразные требования. Так для генераторов синусоидальных сигналов – это точность, монохромность и стабильность заданной частоты, для импульсных генераторов – это точность и стабильность заданного периода повторения и длительности импульсов, для генераторов сигналов специальной формы – это стабильность и точность воспроизведения заданного вида колебания. Во многих случаях в генераторах должна быть предусмотрена возможность внешнего управления параметрами выходного сигнала ( частотой, фазой, временными параметрами и формой колебаний). Схемотехнически электронный генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью. Усилители могут быть построены на дискретных транзисторах, на базе цифровых микросхем или операционных усилителей. Использование ОУ позволяет построить стабильные генераторы с весьма точным воспроизведением заданной формы выходного сигнала.

В качестве примера генераторов на ОУ рассмотрим релаксационные генераторы.

Релаксационными называют генераторы, у которых усилитель работает в переключательном режиме. К ним относятся автоколебательный и ждущий мультивибраторы, генераторы пилообразных и треугольных колебаний. Основой релаксационных генераторов на ОУ является обычно регенеративный компаратор, называемый также триггером Шмидта. Регенеративный компаратор может быть выполнен на ОУ с резистивной положительной обратной связью (рис.9.15).

Рис.9.15. Триггер Шмидта, а) неинвертирующий б) инвертирующий

Переходная характеристика компаратора имеет гистерезис, ширина которого равна удвоенному пороговому напряжению 2V_TH, причём, для схемы на рис.9.15а

V_TH = V_MR₁/R₂ ,

а для схемы на рис 9.15б

V_TH = V_MR₁/(R₁ + R₂),

где V_M – максимальное выходное напряжение усилителя ( напряжение ограничения или насыщения).

На рис.9.16 приведена схема и временная диаграмма работы автоколебательного мультивибратора, построенного на базе триггера Шмидта.

Рис.9.16. Автоколебательный мультивибратор: а) схема, б) временная диаграмма работы

Мультивибратор состоит из инвертирующего триггера Шмидта, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки. Когда напряжение на конденсаторе V_C достигает одного из порогов срабатывания, схема переключается и её выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. В этот момент схема переключится в первоначальное состояние.

Период колебаний мультивибратора равен

T = 2t₁ = 2RC ln( 1 + ( 2R₁/R₂))

Для того, чтобы перейти от схемы автоколебательного к схеме ждущего мультивибратора, необходимо ввести дополнительно цепь запуска и цепь торможения. Назначение ждущего мультивибратора – получение одиночного импульса заданной длительности, начинающегося от фронта специального запускающего импульса. Схема одновибратора и временная диаграмма работы приведены на рис.9.17.

Длительность импульса ждущего мультивибратора (одновибратора):

t_И = RC ln( 1 + ( R₁/R₂)·(1 + ( V_Д/V_М))),

где V_Д – падение напряжения на открытом диоде VD₁.

Рис.9.17. Ждущий мультивибратор : а) схема, б) диаграмма работы

Длительность импульса ждущего мультивибратора (одновибратора):

t_И = RC ln( 1 + ( R₁/R₂)·(1 + ( V_Д/V_М))),

где V_Д – падение напряжения на открытом диоде VD₁.

звуковой ГУН на операционных усилителях MBS Electronics

Управляемый Напряжением Генератор (ГУН, VCO — Voltage Controlled Oscillator) — это генератор , частота выходного сигнала которого зависит от величины напряжения, подаваемого на специальный управляющий вход. Такие генераторы могут работать в разных частотных диапазонах, например, они издавна используются в радиочастотном диапазоне для настройки УКВ приемников.

В контексте данной статьи нас интересует ГУН, работающий в звуковом диапазоне. Такой генератор необходим для построения различных электронных музыкальных инструментов, таких как аналоговые музыкальные синтезаторы или синтезаторы звуков ударных инструментов. Кроме того, звуковой ГУН можно использовать в измерительном генераторе качающейся частоты, который, совместно с осциллографом, позволяет снимать амплитудно-частотные характеристики звуковых трактов, например усилителей, фильтров и т.д.

Чаще всего современный ГУН строится на основе специализированных микросхем, таких как NE566 или аналогичных. Если у вас нет такой микросхемы но необходим управляемый генератор, то его можно построить на основе операционных усилителей и транзисторов общего применения. нужно однако иметь в виду, что простые схемы ГУН на дискретных элементах часто имеют проблемы с термостабильностью (если не принимать специальных дополнительных мер для термостабилизации).

Самый дешевый ГУН можно создать на очень распространенной ОУ типа LM358. Это очень дешевое решение и его можно использовать если вам нужны частоты не выше 5 килогерц. Подобный ГУН на LM358 не очень хорошо работает на более высоких частотах. Дело в том, что LM358 — это маломощный операционный усилитель с очень простыми характеристикам. Однако, на этой микросхеме легко реализовать низкочастотный ГУН, для которого требуется только один источник питания +5ВВ…+15В. Схема такого ГУН с однополярным питанием приведена ниже:

Схема построена по известной структуре «интегратор-компаратор» и имеет два выхода, выход треугольного сигнала и выход прямоугольного сигнала. Если вам нужен синусоидальный сигнал, необходимо применить дополнительный узел преобразования треугольного сигнала в синусоидальный, например такой как на схеме в конце статьи.

Как работает схема ГУН?
На первом ОУ U1A построен интегратор, на втором U1B — компаратор. Электронный ключ построен на транзисторе Q1.

Интегратор (U1A) интегрирует поступающее на вход управляющее напряжение. Когда плавно увеличивающееся напряжение на выходе интегратора достигает порогового уровня, компаратор U1B переключается в противоположное состояние и переключает ключ на транзисторе Q1. При этом начинается обратное интегрирование и на входе интегратора появляется линейно спадающее напряжение. Это продолжается до момента следующего переключения компаратора, после чего цикл повторяется.

Резисторы во входных цепях предназначены для обеспечения идентичности положительного и отрицательного времени интегрирования, поэтому, R3A и R3B включены параллельно (так как точное половинное значение недоступно в большинстве серий резисторов).

Сигнал на выходеU1A представляет собой очень линейную треугольную волну. Частотный диапазон определяется емкостью конденсатора C2 и номиналами всех резисторов во входных цепях, но первичными частотозадающими резисторами являются R2 и R3 (A и B). Соотношение R1 и R4, а также R2 и R3 должно быть таким, как показано для треугольной волны. Если точные соотношения не поддерживаются, форма волны станет пилообразной с разными временами подъема и спада.

U1B — это компаратор (триггер Шмитта). Его выходное состояние меняется скачкообразно когда входное напряжение достигает верхнего или нижнего порога. Положительная обратная связь в компараторе используется для обеспечения того, чтобы треугольная волна имела определенный размах напряжения. Источник питания должен быть стабилизированным, иначе амплитуда двух выходов будет изменяться в зависимости от напряжения питания. При напряжении питания 12 В треугольная форма волны будет иметь амплитуду 3,6 В от пика до пика с центром на половине напряжения питания. Половина напряжения питания устанавливается делителем напряжения на резисторах R9 и R10.

Нет простого способа определить выходную частоту генератора, потому что она зависит от параметров входной цепи (особенно R2 и R3A, R3B) и C2. Кроме того, частота также зависит от пороговых напряжений компаратора (U1B). Резисторы R6 и R7 устанавливают порог, на который также влияет выходное напряжение U1B. Все это также немного зависит от сопротивления нагрузки и температуры микросхемы. При показанных значениях и в среднем положении движка VR1 частота составляет примерно 292 Гц. Согласно симулятору, зависимость частоты от входного напряжения — примерно 55 Гц на один вольт. Это означает, что если входное напряжение составляет 1 В, выходная частота составляет 55 Гц, 110 Гц для 2 В, 165 Гц для 3 В и так далее. В зависимости частоты от напряжения присутствует некоторая нелинейность. Наихудшая линейность будет при значениях входного напряжения близких к нулю или напряжению питания.

Если вам требуется прецизионный ГУН, то потребуется схема полной температурной компенсации. Таким образом, данную схему можно рассматривать как ГУН общего назначения.

Лучшая производительность может быть получена при замене ОУ на TL072 (или любой другой достаточно быстрый операционный усилитель) с использованием двуполярного источника питания. Поскольку большинство из таких ОУ не могут снизить выходное напряжение до уровня отрицательного источника питания, нам необходимо добавить дополнительный резистор (R9, см. рис. ниже), чтобы гарантировать, что транзистор (Q1) будет включаться и выключаться должным образом. Q1 можно заменить полевым МОП-транзистором с малым сигналом, таким как 2N7000, но реального преимущества нет. Однако использование 2N7000 или аналогичного может незначительно улучшить симметрию формы сигнала, поскольку его сопротивление ниже, чем у биполярного транзистора.

В данной схеме ГУН работает от двуполярного источника питания, однако особой выгоды от этого мы не получаем, так как это никаким образом не упрощает схему, кроме того, что это позволяет напрямую поддавать модулирующий сигнал.

В среднем положении движка VR1 в этой версии частота составляет около 296 Гц, а чувствительность модуляции составляет около 28 Гц/В . Чувствительность уменьшена вдвое, поскольку эффективное напряжение питания было увеличено вдвое по сравнению с версией с одним источником питания.

Выходные сигналы U1A и U1B более или менее симметричны относительно нуля. Начальная частота может быть установлена ​​потенциометром VR1, а сигнал модуляции симметричен относительно нуля. Если цепь источника имеет непосредственную связь (если закоротить конденсатор C1), она должна обеспечивать некоторый ток. В среднем положении потенциометра входное напряжение не будет нулевым (как может показаться на первый взгляд). Напряжение будет около -1,3 В, и для получения линейного изменения частоты источник модулирующего напряжения должен иметь низкий выходной импеданс. При желании входной сигнал может подаваться через буфер на дополнительном операционном усилителе, но для большинства приложений в этом нет необходимости.

Если вход модуляции подтянут к земле (например, если подается постоянный ток от другого операционного усилителя), базовая частота будет увеличена примерно до 330 Гц. Цифра 296 Гц выше применима только тогда, когда сигнал модуляции имеет емкостную связь, как показано на схеме, и допускает смещение -1,3 В постоянного тока.

Преобразователь треугольного сигнала в синусоидальный

Для многих приложений, особенно таких, как сканирование частот динамиков или кроссоверных сетей, вам обычно требуется по крайней мере разумное подобие синусоидлального сигнала. Следующая схема сделает именно это, но это не точная схема. Уровень выходного сигнала (и искажения) будут меняться в зависимости от температуры. В большинстве случаев это не является серьезным ограничением, но вряд ли вы получите низкий коэффициент искажений. Он будет примерно на уровне 1,5% THD (преимущественно нечетные гармоники).

Преобразователь треугольного сигнала в синусоидальный

Для многих приложений, особенно таких, как сканирование частот динамиков или кроссоверных сетей, вам обычно требуется по крайней мере разумное подобие синусоидлального сигнала. Следующая схема сделает именно это, но это не точная схема. Уровень выходного сигнала (и искажения) будут меняться в зависимости от температуры. В большинстве случаев это не является серьезным ограничением, но вряд ли вы получите низкий коэффициент искажений. Он будет примерно на уровне 1,5% THD (преимущественно нечетные гармоники).

Схема использует свойство нелинейности вольт — амперной характеристики полупроводниковых диодов. четыре диода используются для ограничения треугольной волны таким образом, чтобы получить минимальные искажения. Подстроечный резистор VR1 используется для обрезки искажений, но очень маловероятно, что вы сможете получить THD намного ниже 2%, потому что схема ограничителя значительно упрощена. Многие ИС функциональных генераторов используют расширенную версию диодного ограничителя для уменьшения искажений (но с гораздо более сложной схемой), но, несмотря на усложнение схемы, результат редко бывает лучше, чем 0,5.

Если вы не слишком беспокоитесь о минимизации искажений. просто используйте пару резисторов 2,2 кОм (обозначенных как «Alternate Divider», R1A и R2A). Схема, показанная на рисунке, рассчитана на входное напряжение около 8 В (пик-пик). Именно такой сигнал выдает ГУН на второй схеме. Если вы используете первую версию с одним источником питания, можно подавать сигнал на диодный ограничитель через конденсатор на 10 мкФ и одиночный резистор 1к. Просто удалите из схемы элементы VR1, R1A и R2A и подключите R1 напрямую к диодам.

Материал переведен с английского MBS Electronics. Источник https://sound-au.com/project162.htmhttps://sound-au.com/project162.htm

Генератор с мостом Вина на NE5532

У операционных усилителей много применений. Раньше мы использовали их в схемах усилителей и фильтров (один, два). Существуют также схемы генераторов на основе ОУ. Сегодня мы познакомимся с одной такой схемой. Она называется генератор с мостом Вина (Wien bridge oscillator).

Схема следующая:

Модель для LTspice можно скачать здесь. Как же это работает?

Делитель напряжения R5-R6 используется для создания «виртуальной земли», шины с напряжением Vcc/2. Она нужна, потому что у нас однополярное питание, а ОУ нужно двухполярное.

U2 представляет собой обычный повторитель напряжения, то есть, буфер для нашего генератора. Буфер имеет высокий входной импеданс и низких выходной. Он изолирует генератор от реальной нагрузки, и обеспечивает его стабильность. Принцип тот же, что в генераторах на транзисторах (см один, два и далее по ссылкам).

R1, C1, R2 и C2 работают, как полосно-пропускающий фильтр:

Вот его АЧХ и ФЧХ:

При условии R1 = R2 = R и C1 = C2 = C, пик АЧХ и фазовый сдвиг 0° приходятся на частоту 1/(2*pi*R*C). Это будет частота генератора, в нашем случае — 1 кГц. Аттенюация на данной частоте составляет 9.54 dB. То есть, по напряжению проходит pow(10,-9.54/20) или 1/3 сигнала.

Временно забудем про диоды D1 и D2. Глядя на U1, R3 и VR4 мы видим обычный неинвертирующий усилитель. Его усиление составляет 1+VR4/R3, или около 3. Таким образом, на частоте 1 кГц у нас выполняется критерий Баркгаузена — фазовый сдвиг 0° и единичное усиление. Все, что нужно для работы генератора.

Но есть нюанс. На самом деле, для старта генератора усиление должно быть чуть больше единицы. Иначе требуемая частота никогда бы не усилилась из фонового шума. Это означает, что амплитуда выходного сигнала будет бесконечно расти, пока мы не упремся в возможности используемого ОУ при заданном Vcc. Как результат, на выходе мы получим искаженный сигнал. Вот чтобы этого не случилось, в схеме стоят D1 и D2.

Диод почти не проводит ток, пока падение напряжения на нем меньше 0.7 В. При превышении этого значения сопротивление диода резко падает. Низкое сопротивление параллельно с VR4 уменьшает коэффициент усиления. Таким образом, амплитуда выходного сигнала будет расти до какого-то предела, и сигнал не будет искажен. Амплитуду можно подстроить, регулируя VR4.

Схема в моем исполнении:

… и ее выходной сигнал:

Здесь цена деления по вертикали — 200 мВ, а по горизонтали — 0.5 мс. Период составил ~1 мс, значит частота соответствует ожидаемой.

Выбор ОУ в данном генераторе не критичен. Схеме можно найти много применений. Например, она может быть использована в телеграфном трансивере или служить основой для двухтонального генератора.

Дополнение: Релаксационный генератор на операционном усилителе

Метки: Аудио, Электроника.

Мультивибратор на ОУ или нестабильный мультивибратор на ОУ

Операционный усилитель или Операционный усилитель для краткости — очень универсальное устройство, которое можно использовать в различных электронных схемах и приложениях, от усилителей напряжения до фильтров и формирователей сигналов. Но одна очень простая и чрезвычайно полезная схема операционного усилителя, основанная на любом операционном усилителе общего назначения, — это Astable Op-amp Multivibrator.

В наших руководствах по последовательной логике мы видели, что схемы мультивибратора могут быть построены с использованием транзисторов, логических вентилей или специальных микросхем, таких как таймер NE555.Мы также увидели, что нестабильный мультивибратор непрерывно переключается между двумя нестабильными состояниями без необходимости какого-либо внешнего запуска.

Но проблема с использованием этих компонентов для создания схемы нестабильного мультивибратора заключается в том, что для нестабильных транзисторов требуется много дополнительных компонентов, цифровые нестабильности обычно могут использоваться только в цифровых схемах, а использование таймера 555 не всегда может дать нам симметричный выход без дополнительных смещающих компонентов. Однако схема Op-amp Multivibrator может предоставить нам хороший сигнал прямоугольной формы с использованием всего четырех компонентов, трех резисторов и синхронизирующего конденсатора.

Мультивибратор с операционным усилителем представляет собой схему нестабильного генератора, которая генерирует прямоугольную форму выходного сигнала с использованием схемы синхронизации RC, подключенной к инвертирующему входу операционного усилителя, и сети делителя напряжения, подключенной к другому неинвертирующему входу.

В отличие от моностабильного или бистабильного, нестабильный мультивибратор имеет два состояния, ни одно из которых не является стабильным, поскольку он постоянно переключается между этими двумя состояниями, а время, проведенное в каждом состоянии, контролируется зарядкой или разрядом конденсатора через резистор.

В схеме мультивибратора операционного усилителя операционный усилитель работает как аналоговый компаратор. Компаратор операционного усилителя сравнивает напряжения на своих двух входах и выдает положительный или отрицательный выходной сигнал в зависимости от того, больше или меньше входное значение некоторого эталонного значения, V _REF .

Однако, поскольку компаратор ОУ с разомкнутым контуром очень чувствителен к изменениям напряжения на его входах, выход может неконтролируемо переключаться между положительной, + V (насыщенной) и отрицательной, -V (насыщенной) шинами питания всякий раз, когда вход Измеряемое напряжение близко к опорному напряжению, В _REF .

Чтобы исключить любые неустойчивые или неконтролируемые операции переключения, операционный усилитель, используемый в схеме мультивибратора, сконфигурирован как схема Триггера Шмитта с обратной связью. Рассмотрим схему ниже.

Операционный усилитель Шмитта Компаратор

Схема компаратора операционного усилителя, приведенная выше, сконфигурирована как триггер Шмитта, который использует положительную обратную связь, обеспечиваемую резисторами R1 и R2, для создания гистерезиса. Поскольку эта резистивная цепь подключена между выходом усилителя и неинвертирующим (+) входом, когда Vout насыщается на положительной шине питания, положительное напряжение подается на неинвертирующий вход операционного усилителя.Аналогичным образом, когда Vout насыщается на отрицательной шине питания, отрицательное напряжение подается на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Поскольку два резистора сконфигурированы на выходе операционного усилителя как сеть делителя напряжения, опорное напряжение Vref, следовательно, будет зависеть от доли выходного напряжения, возвращаемой на неинвертирующий вход. Эта доля обратной связи β задается как:

Где + V (насыщ.) — положительное напряжение насыщения постоянного тока операционного усилителя, а -V (насыщение) — отрицательное напряжение насыщения постоянного тока операционного усилителя.

Затем мы можем видеть, что положительное или верхнее опорное напряжение + Vref (т.е. максимальное положительное значение напряжения на инвертирующем входе) задается как: + Vref = + V (sat) β, а отрицательное или нижнее опорное напряжение ( т.е. максимальное отрицательное значение напряжения на инвертирующем входе) задается как: -Vref = -V (sat) β.

Таким образом, если Vin превышает + Vref, операционный усилитель переключает состояние, и выходное напряжение падает до отрицательного напряжения насыщения постоянного тока. Аналогичным образом, когда входное напряжение падает ниже -Vref, операционный усилитель снова переключает состояние, и выходное напряжение переключается с отрицательного напряжения насыщения обратно на положительное напряжение насыщения постоянного тока.Величина встроенного гистерезиса, задаваемого компаратором Шмитта при переключении между двумя напряжениями насыщения, определяется разницей между двумя опорными напряжениями триггера как: V _HYSTERESIS = + Vref — (-Vref).

Преобразование синусоидального сигнала в прямоугольное

Одно из многих применений компаратора триггера Шмитта, помимо мультивибратора операционного усилителя, заключается в том, что мы можем использовать его для преобразования любой периодической синусоидальной формы волны в прямоугольную форму волны, при условии, что значение синусоиды больше, чем эталонная точка напряжения. .

Фактически, компаратор Шмитта всегда выдает прямоугольную форму выходного сигнала независимо от формы входного сигнала. Другими словами, входное напряжение не обязательно должно быть синусоидой, это может быть волна любой формы или сложной формы. Рассмотрим схему ниже.

Преобразователь синусоидальной формы в прямоугольную

Поскольку форма входного сигнала будет периодической и будет иметь амплитуду, значительно превышающую его опорное напряжение Vref, выходной прямоугольный сигнал всегда будет иметь тот же период T и, следовательно, частоту ƒ, что и форма входного сигнала.

Заменяя резистор R1 или R2 на потенциометр, мы можем регулировать долю обратной связи β и, следовательно, значение опорного напряжения на неинвертирующем входе, чтобы операционный усилитель менял состояние в любом месте от нуля до 90. ^– каждого полупериод до тех пор, пока опорное напряжение Vref остается ниже максимальной амплитуды входного сигнала.

Мультивибратор операционного усилителя

Мы можем продвинуть идею преобразования периодической формы волны в прямоугольный выход на один шаг дальше, заменив синусоидальный вход на схему синхронизации RC, подключенную к выходу операционного усилителя.На этот раз вместо синусоидального сигнала, используемого для запуска операционного усилителя, мы можем использовать напряжение зарядки конденсаторов Vc, чтобы изменить выходное состояние операционного усилителя, как показано.

Схема мультивибратора операционного усилителя

Так как же это работает. Во-первых, предположим, что конденсатор полностью разряжен, а выход операционного усилителя насыщен на положительной шине питания. Конденсатор C начинает заряжаться от выходного напряжения Vout через резистор R со скоростью, определяемой их постоянной времени RC.

Из наших руководств по RC-цепям мы знаем, что конденсатор хочет полностью зарядиться до значения Vout (которое равно + V (sat)) за пять постоянных времени. Однако, как только напряжение зарядки конденсаторов на инвертирующем (-) выводе операционного усилителя станет равным или большим, чем напряжение на неинвертирующем выводе (доля выходного напряжения операционного усилителя, разделенная между резисторами R1 и R2), выход изменит состояние и будет направлен на противоположную отрицательную шину питания.

Но конденсатор, который благополучно заряжался по направлению к положительной шине питания (+ V (sat)), теперь видит отрицательное напряжение, -V (sat) на своих пластинах.Это внезапное изменение выходного напряжения заставляет конденсатор разряжаться до нового значения Vout со скоростью, снова продиктованной их постоянной времени RC.

Напряжение мультивибратора ОУ

Как только инвертирующий вывод операционного усилителя достигает нового отрицательного опорного напряжения -Vref на неинвертирующем выводе, операционный усилитель снова меняет состояние, и на выходе устанавливается противоположное напряжение шины питания, + V (насыщенное). Конденсатор теперь видит положительное напряжение на своих пластинах, и цикл зарядки начинается снова.Таким образом, конденсатор постоянно заряжается и разряжается, создавая нестабильный мультивибратор на выходе операционного усилителя.

Период выходного сигнала определяется постоянной времени RC двух компонентов синхронизации и коэффициентом обратной связи, установленным схемой делителя напряжения R1, R2, которая устанавливает опорный уровень напряжения. Если положительные и отрицательные значения напряжения насыщения усилителей имеют одинаковую величину, тогда t1 = t2 и выражение для определения периода колебаний принимает следующий вид:

Где: R — сопротивление, C — емкость, ln () — натуральный логарифм доли обратной связи, T — периодическое время в секундах, а ƒ — частота колебаний в Гц.

Тогда мы можем видеть из приведенного выше уравнения, что частота колебаний для схемы Op-amp Multivibrator зависит не только от постоянной времени RC, но и от доли обратной связи. Однако, если бы мы использовали значения резисторов, которые дали долю обратной связи 0,462 , ( β = 0,462 ), то частота колебаний схемы была бы равна всего лишь 1 / 2RC, как показано, потому что линейный логарифмический член становится равным к одному.

Мультивибратор на ОУ Пример №1

Схема мультивибратора на операционном усилителе состоит из следующих компонентов.R1 = 35 кОм, R2 = 30 кОм, R = 50 кОм и C = 0,01 мкФ. Рассчитайте частоту колебаний контура.

Тогда частота колебаний рассчитывается как 1 кГц. Когда β = 0,462, эта частота может быть вычислена напрямую как: ƒ = 1 / 2RC. Также, когда два резистора обратной связи одинаковы, то есть R1 = R2, доля обратной связи равна 3, а частота колебаний становится: = 1 / 2.2RC.

Мы можем сделать еще один шаг в этой схеме мультивибратора на операционном усилителе, заменив один из резисторов обратной связи на потенциометр, чтобы получить мультивибратор на операционном усилителе с переменной частотой, как показано.

Мультивибратор с переменным ОУ

Регулируя центральный потенциометр между β1 и β2, выходная частота изменится на следующие величины.

Потенциометр стеклоочистителя на β1

Потенциометр стеклоочистителя на β2

Затем в этом простом примере мы можем создать схему мультивибратора операционного усилителя, которая может генерировать переменный выходной сигнал прямоугольной формы от 100 Гц до 1.2 кГц или любой другой частотный диапазон, который нам нужен, просто изменив значения компонентов RC.

Выше мы видели, что схема Op-amp Multivibrator может быть построена с использованием стандартного операционного усилителя, такого как 741, и нескольких дополнительных компонентов. Эти генераторы несинусоидальной релаксации, управляемые напряжением, обычно ограничены несколькими сотнями килогерц (кГц), потому что операционный усилитель не имеет требуемой полосы пропускания, но, тем не менее, они по-прежнему являются отличными генераторами.

% PDF-1.2 % 19 0 объект > эндобдж xref 19 81 0000000016 00000 н. 0000001968 00000 н. 0000002085 00000 н. 0000002609 00000 н. 0000002816 00000 н. 0000002897 00000 н. 0000003036 00000 н. 0000003095 00000 н. 0000003194 00000 н. 0000003286 00000 н. 0000003349 00000 п. 0000003448 00000 н. 0000003512 00000 н. 0000003608 00000 н. 0000003713 00000 н. 0000003772 00000 н. 0000003835 00000 н. 0000003945 00000 н. 0000004008 00000 п. 0000004128 00000 н. 0000004190 00000 п. 0000004316 00000 н. 0000004378 00000 п. 0000004489 00000 н. 0000004552 00000 н. 0000004660 00000 н. 0000004722 00000 н. 0000004837 00000 н. 0000004901 00000 п. 0000004964 00000 н. 0000005210 00000 н. 0000005420 00000 н. 0000006573 00000 н. 0000007729 00000 н. 0000007944 00000 н. 0000008151 00000 п. 0000008354 00000 н. 0000009504 00000 н. 0000010653 00000 п. 0000011809 00000 п. 0000012024 00000 п. 0000013366 00000 п. 0000013387 00000 п. 0000014462 00000 п. 0000014565 00000 п. 0000014645 00000 п. 0000014666 00000 п. 0000015602 00000 п. 0000015687 00000 п. 0000016785 00000 п. 0000016806 00000 п. 0000017852 00000 п. 0000017873 00000 п. 0000018909 00000 п. 0000019116 00000 п. 0000020263 00000 п. 0000021414 00000 п. 0000021616 00000 п. 0000021637 00000 п. 0000022472 00000 п. 0000023578 00000 п. 0000023599 00000 п. 0000024339 00000 п. 0000024360 00000 п. 0000025253 00000 п. 0000025274 00000 п. 0000026194 00000 п. 0000026269 00000 п. 0000026383 00000 п. 0000026492 00000 п. 0000026606 00000 п. 0000026682 00000 п. 0000026875 00000 п. 0000026985 00000 п. 0000027099 00000 п. 0000027213 00000 п. 0000027322 00000 н. 0000027397 00000 п. 0000027590 00000 н. 0000002147 00000 н. 0000002588 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 98 0 объект > ручей Hc«f`Hf`g`, cg @

Схема RC-генератора — Учебное пособие по RC-генератору

В учебных пособиях по усилителям мы видели, что одноступенчатый транзисторный усилитель может производить 180 ^— фазового сдвига между его выходным и входным сигналами при подключении в качестве усилителя с общим эмиттером, и что его выходной сигнал на нагрузке коллектора полностью зависит от входной сигнал подается на клемму базы транзистора.

Но мы можем сконфигурировать транзисторные каскады для работы в качестве генераторов, разместив цепи резистор-конденсатор (RC) вокруг транзистора, чтобы обеспечить требуемую регенеративную обратную связь без необходимости в цепи резервуара. Частотно-селективные схемы RC-связанных усилителей легко построить, и их можно заставить колебаться на любой желаемой частоте, выбрав соответствующие значения сопротивления и емкости.

Для RC-генератора, чтобы поддерживать свои колебания бесконечно, необходимо обеспечить достаточную обратную связь правильной фазы, то есть положительную (синфазную) обратную связь вместе с коэффициентом усиления по напряжению одиночного транзисторного усилителя, используемого для ввода адекватного коэффициента усиления контура в замкнутый контур. -контурная цепь для поддержания колебаний, позволяющая ему непрерывно колебаться с выбранной частотой.

В схеме RC-генератора вход сдвигается на 180, ^o через цепь обратной связи, возвращая сигнал в противофазе, и на 180 ^o снова через каскад инвертирующего усилителя для получения необходимой положительной обратной связи. Это дает нам фазовый сдвиг «180 ^o + 180 ^o = 360 ^o », который фактически совпадает с 0 ^o , тем самым давая нам необходимую положительную обратную связь. Другими словами, полный фазовый сдвиг контура обратной связи должен быть «0» или любым кратным 360, ^— , чтобы получить тот же эффект.

В генераторе сопротивления-емкости или просто известном как RC-осциллятор мы можем использовать тот факт, что фазовый сдвиг происходит между входом RC-сети и выходом из той же сети, используя взаимосвязанные RC-элементы. в ветке обратной связи, например.

RC-цепочка со сдвигом фаз

На схеме слева изображена одиночная цепь резистор-конденсатор, выходное напряжение которой «опережает» входное напряжение на некоторый угол меньше 90 ^o .В чистой или идеальной однополюсной RC-сети. он будет производить максимальный фазовый сдвиг точно 90 ^o , а поскольку для генерации требуется 180 ^o фазового сдвига, в конструкции RC-генератора должны использоваться по крайней мере две однополюсные цепи.

Однако в действительности трудно получить точно 90 ^— фазового сдвига для каждого RC-каскада, поэтому мы должны использовать больше RC-каскадов, соединенных вместе, чтобы получить требуемое значение на частоте колебаний.Величина фактического фазового сдвига в цепи зависит от номиналов резистора (R) и конденсатора (C) при выбранной частоте колебаний с фазовым углом (φ), заданным как:

Фазовый угол RC

Где: X _C — емкостное сопротивление конденсатора, R — сопротивление резистора, а ƒ — частота.

В нашем простом примере выше значения R и C были выбраны таким образом, чтобы при требуемой частоте выходное напряжение опережало входное напряжение на угол примерно 60 ^o .Затем фазовый угол между каждой последовательной RC-секцией увеличивается еще на 60 ^o , что дает разность фаз между входом и выходом 180 ^o (3 x 60 ^o ), как показано на следующей векторной диаграмме.

Векторная диаграмма

Таким образом, путем каскадирования трех таких RC-цепей последовательно мы можем произвести полный фазовый сдвиг в цепи 180 ^o на выбранной частоте, и это формирует основу «RC-генератора», также известного как осциллятор с фазовым сдвигом поскольку фазовый угол сдвигается на величину на каждом этапе схемы.Затем происходит фазовый сдвиг в разности фаз между отдельными RC-ступенями. Для удобства схемы операционных усилителей доступны в корпусах с четырьмя микросхемами. Например, LM124 или LM324 и т. Д., Так что четыре RC-каскада также могут быть использованы для получения необходимого фазового сдвига 180 ^o на требуемой частоте колебаний.

Мы знаем, что в схеме усилителя, использующей либо биполярный транзистор, либо конфигурацию инвертирующего операционного усилителя, он будет производить фазовый сдвиг 180 ^o между его входом и выходом.Если трехступенчатая RC-цепь с фазовым сдвигом подключена в качестве цепи обратной связи между выходом и входом схемы усилителя, то общий фазовый сдвиг, создаваемый для получения требуемой регенеративной обратной связи, составляет: 3 x 60 ^o + 180 ^o = 360 ^o = 0 ^o , как показано.

Три RC-каскада соединены каскадом для получения требуемого наклона для стабильной частоты колебаний. Фазовый сдвиг контура обратной связи составляет -180 ^o , когда фазовый сдвиг каждой ступени составляет -60 ^o .Это происходит, когда jω = 2piƒ = 1 / 1,732RC as (tan 60 ^o = 1,732). Затем для достижения необходимого фазового сдвига в схеме RC-генератора нужно использовать несколько RC-фазосдвигающих цепей, таких как схема ниже.

Базовая схема RC-генератора

Базовый RC-генератор , также известный как фазовый осциллятор , выдает выходной синусоидальный сигнал с использованием регенеративной обратной связи, полученной от лестничной схемы резистор-конденсатор (RC).Эта регенеративная обратная связь от RC-сети обусловлена ​​способностью конденсатора накапливать электрический заряд (аналогично схеме LC-резервуара).

Эта цепь обратной связи резистор-конденсатор может быть подключена, как показано выше, для получения опережающего фазового сдвига (сеть с опережением фазы) или заменена местами для получения запаздывающего фазового сдвига (сеть с запаздыванием фазы), результат остается таким же, как только возникают синусоидальные колебания. на частоте, на которой общий фазовый сдвиг составляет 360 ^o .

Изменяя один или несколько резисторов или конденсаторов в цепи фазового сдвига, можно изменять частоту, и обычно это делается путем сохранения одинаковых резисторов и использования 3-х связного переменного конденсатора, поскольку емкостное реактивное сопротивление (X _C ) изменяется с изменением частоты, поскольку конденсаторы являются частотно-чувствительными компонентами. Однако может потребоваться повторная регулировка усиления по напряжению усилителя для новой частоты.

Если три резистора R имеют одинаковое значение, то есть R ₁ = R ₂ = R ₃ , и конденсаторы C в цепи фазового сдвига также имеют одинаковое значение, C ₁ = C ₂ = C ₃ , тогда частота колебаний, создаваемых RC-генератором, просто задается как:

• Где:
• ƒ _r — частота на выходе генератора в Герцах
• R — сопротивление обратной связи в Ом
• C — емкость обратной связи в фарадах
• N — количество ступеней обратной связи RC.

Это частота, с которой колеблется схема фазового сдвига. В нашем простом примере, приведенном выше, количество ступеней равно трем, поэтому N = 3 (√2 * 3 = √6). Для четырехступенчатой ​​RC-сети N = 4 (√2 * 4 = √8) и т. Д.

Поскольку комбинация резистор-конденсатор в лестничной цепи RC-генератора также действует как аттенюатор, то есть сигнал уменьшается на некоторую величину при прохождении через каждый пассивный каскад. Можно предположить, что три участка фазового сдвига независимы друг от друга, но это не так, поскольку общее накопленное затухание обратной связи становится -1 / 29-е (Vo / Vi = β = -1/29) на всех трех этапах.Таким образом, коэффициент усиления по напряжению усилителя должен быть достаточно высоким, чтобы преодолеть эти пассивные потери RC. Очевидно, что для того, чтобы получить общий коэффициент усиления контура -1, в нашей трехкаскадной RC-цепи выше коэффициент усиления усилителя должен быть равен или больше 29, чтобы компенсировать затухание RC-цепи.

Влияние нагрузки усилителя на цепь обратной связи влияет на частоту колебаний и может привести к тому, что частота генератора может быть на 25% выше расчетной.Затем цепь обратной связи должна управляться от выходного источника с высоким импедансом и подаваться на нагрузку с низким импедансом, такую ​​как транзисторный усилитель с общим эмиттером, но еще лучше использовать операционный усилитель, поскольку он полностью удовлетворяет этим условиям.

Операционный усилитель RC-генератор

При использовании в качестве RC-генераторов операционный усилитель RC-генераторы более распространены, чем их аналоги на биполярных транзисторах. Схема генератора состоит из операционного усилителя с отрицательным усилением и трехсекционной RC-цепи, обеспечивающей фазовый сдвиг 180 ^o .Схема с фазовым сдвигом подключается от выхода операционного усилителя обратно к его «инвертирующему» входу, как показано ниже.

Цепь фазового RC-генератора ОУ

Поскольку обратная связь подключена к инвертирующему входу, операционный усилитель, следовательно, подключен в своей конфигурации «инвертирующий усилитель», которая производит требуемый фазовый сдвиг 180 ^o , в то время как RC-сеть производит другой фазовый сдвиг 180 ^o при требуемом частота (180 ^o + 180 ^o ).Этот тип обратной связи с конденсаторами, включенными последовательно, и резисторами, подключенными к потенциалу земли (0 В), известен как конфигурация с фазным выводом . Другими словами, выходное напряжение опережает входное напряжение, создавая положительный фазовый угол.

Но мы также можем создать конфигурацию с фазовой задержкой , просто изменив положение RC-компонентов, чтобы резисторы были подключены последовательно, а конденсаторы были подключены к потенциалу земли (0 В), как показано.Это означает, что выходное напряжение отстает от входного, создавая отрицательный фазовый угол.

Цепь RC-генератора с фазовой задержкой операционного усилителя

Однако из-за реверсирования компонентов обратной связи исходное уравнение для частотного выхода RC-генератора с фазовым выводом изменяется на:

Хотя можно соединить вместе только два однополюсных RC-каскада для обеспечения необходимого фазового сдвига 180 ^o (90 ^o + 90 ^o ), стабильность генератора на низких частотах, как правило, оставляет желать лучшего.

Одной из наиболее важных особенностей генератора RC Oscillator является его стабильность частоты, то есть его способность обеспечивать выходной синусоидальный сигнал постоянной частоты при различных условиях нагрузки. Посредством каскадного соединения трех или даже четырех RC-каскадов (4 x 45 ^o ) стабильность генератора может быть значительно улучшена.

RC-генераторы с четырьмя каскадами обычно используются, потому что обычно доступные операционные усилители поставляются в корпусах с четырьмя ИС, поэтому создание 4-каскадного генератора с фазовым сдвигом 45 ^o относительно друг друга относительно легко.

RC-генераторы стабильны и обеспечивают выходной синусоидальный сигнал правильной формы с частотой, пропорциональной 1 / RC, и, следовательно, при использовании переменного конденсатора возможен более широкий частотный диапазон. Однако RC-генераторы ограничены частотными приложениями из-за ограничений их полосы пропускания для получения желаемого фазового сдвига на высоких частотах.

RC Генератор Пример №1

3-каскадный RC-фазовый генератор на базе операционного усилителя необходим для получения синусоидальной выходной частоты 4 кГц.Если в цепи обратной связи используются конденсаторы емкостью 2,4 нФ, рассчитайте номинал резисторов, определяющих частоту, и номинал резистора обратной связи, необходимого для поддержания колебаний. Также нарисуйте схему.

f = 1/2 x R  3  x C  1  x ln (1 + k / 1 - k) 

Здесь K = R  2  / R  1  + R  2  

f = 1/2.2 x R  3  x C  1  

  φ = загар -1  (Xc / R)