RC-генератор

Линейные электронные схемы осциллятора , которые генерируют синусоидальный выходной сигнал, состоят из усилителя и частотно- селективного элемента, фильтра . Линейная схема осциллятора, которая использует RC-цепь , комбинацию резисторов и конденсаторов , для своей частотно-селективной части называется RC-генератором .

Описание

RC-генераторы являются типом генератора с обратной связью ; они состоят из усилительного устройства, транзистора , вакуумной лампы или операционного усилителя , при этом часть его выходной энергии подается обратно на его вход через сеть резисторов и конденсаторов , RC-цепь , для достижения положительной обратной связи , заставляя его генерировать колеблющееся синусоидальное напряжение. ^{[1] [2] [3]} Они используются для получения более низких частот , в основном звуковых частот , в таких приложениях, как генераторы звуковых сигналов и электронные музыкальные инструменты. ^{[4] [5]} На радиочастотах используется другой тип генератора с обратной связью, LC-генератор, но на частотах ниже 100 кГц размер индукторов и конденсаторов, необходимых для LC-генератора, становится громоздким, и вместо них используются RC-генераторы. ^[6] Отсутствие громоздких индукторов также упрощает их интеграцию в микроэлектронные устройства. Поскольку частота генератора определяется номиналом резисторов и конденсаторов, которые изменяются в зависимости от температуры, RC-генераторы не обладают такой же хорошей стабильностью частоты, как кварцевые генераторы .

Частота колебаний определяется критерием Баркгаузена , который гласит, что схема будет колебаться только на частотах, для которых фазовый сдвиг вокруг петли обратной связи равен 360° (2π радиан) или кратен 360°, а коэффициент усиления петли (усиление вокруг петли обратной связи) равен единице. ^{[7] [1]} Целью цепи обратной связи RC является обеспечение правильного фазового сдвига на желаемой частоте колебаний, чтобы петля имела фазовый сдвиг 360°, поэтому синусоида после прохождения через петлю будет в фазе с синусоидой в начале и усилит ее, что приведет к положительной обратной связи. ^[6] Усилитель обеспечивает усиление для компенсации потерь энергии при прохождении сигнала через сеть обратной связи, чтобы создать устойчивые колебания. Пока усиление усилителя достаточно велико, чтобы общее усиление вокруг петли было единицей или выше, схема, как правило, будет колебаться.

В схемах RC-генераторов, в которых используется одно инвертирующее усилительное устройство, например транзистор, лампа или операционный усилитель с обратной связью, подаваемой на инвертирующий вход, усилитель обеспечивает 180° сдвига фазы, поэтому RC-цепь должна обеспечивать остальные 180°. ^[6] Поскольку каждый конденсатор может обеспечить максимум 90° сдвига фазы, для RC-генераторов требуется не менее двух частотно-определяющих конденсаторов в цепи (два полюса ), а большинство имеют три или более ^[1] со сравнимым числом резисторов.

Это делает настройку схемы на разные частоты более сложной, чем в других типах, таких как LC-генератор, в котором частота определяется одним LC-контуром, поэтому должен изменяться только один элемент. Хотя частоту можно изменять в небольшом диапазоне, регулируя один элемент схемы, для настройки RC-генератора в широком диапазоне два или более резистора или конденсатора должны изменяться синхронно, что требует их механического соединения на одном валу. ^{[2] [8]} Частота колебаний пропорциональна обратной величине емкости или сопротивления, тогда как в LC-генераторе частота пропорциональна обратному квадратному корню емкости или индуктивности. ^[9] Таким образом, заданный переменный конденсатор в RC-генераторе может охватывать гораздо более широкий диапазон частот. Например, переменный конденсатор, емкость которого можно изменять в диапазоне 9:1, даст RC-генератору частотный диапазон 9:1, но в LC-генераторе он даст только диапазон 3:1.

Ниже приведены некоторые примеры распространенных схем RC-генераторов:

Фазовый генератор

Фазовый генератор

В генераторе с фазовым сдвигом цепь обратной связи представляет собой три идентичных каскадных RC-секции. ^[10] В простейшей конструкции конденсаторы и резисторы в каждой секции имеют одинаковое значение и . Тогда на частоте колебаний каждая RC-секция вносит фазовый сдвиг на 60°, что в сумме составляет 180°. Частота колебаний равна ${\displaystyle \scriptstyle R\;=\;R1\;=\;R2\;=\;R3}$ ${\displaystyle \scriptstyle C\;=\;C1\;=\;C2\;=\;C3}$

${\displaystyle f={\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {6}}}}}$

Цепь обратной связи имеет затухание 1/29, поэтому операционный усилитель должен иметь усиление 29, чтобы обеспечить усиление контура, равное единице, для генерации схемы.

${\displaystyle R_{\mathrm {fb} }=29\cdot R}$

Генератор с двумя Т-образными волнами

Генератор Twin-T

Другой распространенной конструкцией является генератор "Twin-T", поскольку он использует две цепи RC "T", работающие параллельно. Одна цепь - это RCR "T", которая действует как фильтр нижних частот . Вторая цепь - это CRC "T", которая действует как фильтр верхних частот . Вместе эти цепи образуют мост, который настроен на желаемую частоту колебаний. Сигнал в ветви CRC фильтра Twin-T опережается, в RCR - задерживается, поэтому они могут гасить друг друга по частоте, если ; если он подключен как отрицательная обратная связь к усилителю, и x>2, усилитель становится генератором. (Примечание: .) ${\displaystyle f={\frac {1}{2\pi RC}}}$ ${\displaystyle x=2}$ ${\displaystyle x=C2/C1=R1/R2}$

Квадратурный генератор

Квадратурный генератор использует два каскадных интегратора операционных усилителей в контуре обратной связи, один с сигналом, подаваемым на инвертирующий вход, или два интегратора и инвертор. Преимущество этой схемы в том, что синусоидальные выходы двух операционных усилителей сдвинуты по фазе на 90° (в квадратуре). Это полезно в некоторых цепях связи.

Можно стабилизировать квадратурный генератор, возводя в квадрат синус и косинус выходов, складывая их вместе ( тригонометрическое тождество Пифагора ), вычитая константу и применяя разницу к множителю, который регулирует коэффициент усиления контура вокруг инвертора. Такие схемы имеют почти мгновенную амплитудную реакцию на постоянный вход и чрезвычайно низкие искажения.

Генераторы с низким уровнем искажений

Упомянутый выше критерий Баркгаузена не определяет амплитуду колебаний. Схема генератора, содержащая только линейные компоненты, нестабильна относительно амплитуды. Пока коэффициент усиления контура равен единице, амплитуда синусоиды будет постоянной, но малейшее увеличение коэффициента усиления из-за дрейфа значений компонентов приведет к тому, что амплитуда будет увеличиваться экспоненциально без ограничений. Аналогично, малейшее уменьшение приведет к тому, что синусоида экспоненциально затухнет до нуля. Поэтому все практические генераторы должны иметь нелинейный компонент в контуре обратной связи, чтобы уменьшать коэффициент усиления по мере увеличения амплитуды, что приведет к стабильной работе при амплитуде, где коэффициент усиления контура равен единице.

В большинстве обычных генераторов нелинейность — это просто насыщение (ограничение) усилителя, когда амплитуда синусоиды приближается к шинам питания. Генератор спроектирован так, чтобы иметь коэффициент усиления петли малого сигнала больше единицы. Более высокий коэффициент усиления позволяет генератору начинать с экспоненциального усиления некоторого постоянно присутствующего шума. ^[11]

По мере приближения пиков синусоиды к шинам питания насыщение усилительного устройства сглаживает (обрезает) пики, уменьшая усиление. Например, генератор может иметь коэффициент усиления контура 3 для малых сигналов, но этот коэффициент усиления контура мгновенно падает до нуля, когда выход достигает одной из шин питания. ^[12] Чистый эффект заключается в том, что амплитуда генератора стабилизируется, когда средний коэффициент усиления за цикл равен единице. Если средний коэффициент усиления контура больше единицы, выходная амплитуда увеличивается до тех пор, пока нелинейность не уменьшит средний коэффициент усиления до единицы; если средний коэффициент усиления контура меньше единицы, то выходная амплитуда уменьшается до тех пор, пока средний коэффициент усиления не станет единицей. Нелинейность, которая уменьшает усиление, также может быть более тонкой, чем столкновение с шиной питания. ^[13]

Результатом этого усреднения усиления является некоторое гармоническое искажение в выходном сигнале. Если усиление слабого сигнала лишь немного больше единицы, то требуется лишь небольшое количество компрессии усиления, поэтому не будет большого гармонического искажения. Если усиление слабого сигнала намного больше единицы, то будут присутствовать значительные искажения. ^[14] Однако осциллятор должен иметь усиление значительно выше единицы, чтобы надежно начать.

Таким образом, в генераторах, которые должны выдавать синусоидальную волну с очень низким уровнем искажений , используется система, которая поддерживает коэффициент усиления примерно постоянным в течение всего цикла. Распространенная конструкция использует лампу накаливания или термистор в цепи обратной связи. ^{[15] [16]} Эти генераторы используют сопротивление вольфрамовой нити лампы , которое увеличивается пропорционально ее температуре ( термистор работает аналогичным образом). Лампа одновременно измеряет выходную амплитуду и управляет коэффициентом усиления генератора. Уровень сигнала генератора нагревает нить накала. Если уровень слишком высок, то температура нити постепенно увеличивается, сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления контура падает (тем самым уменьшая выходной уровень генератора). Если уровень слишком низок, лампа охлаждается и увеличивает коэффициент усиления. Генератор HP200A 1939 года использует эту технику. Современные вариации могут использовать явные детекторы уровня и усилители с регулируемым коэффициентом усиления.

Генератор на мосту Вина с автоматической регулировкой усиления. Rb — небольшая лампа накаливания. Обычно R1 = R2 = R и C1 = C2 = C. При нормальной работе Rb сам нагревается до точки, где его сопротивление равно Rf/2.

Генератор с мостом Вина

Одной из наиболее распространенных схем со стабилизацией усиления является генератор на основе моста Вина . ^[17] В этой схеме используются две RC-цепи, одна с последовательными RC-компонентами и одна с параллельными RC-компонентами. Мост Вина часто используется в генераторах аудиосигналов , поскольку его можно легко настроить с помощью двухсекционного переменного конденсатора или двухсекционного переменного потенциометра (который проще получить, чем переменный конденсатор, подходящий для генерации на низких частотах). Архетипичный аудиогенератор HP200A — это генератор на основе моста Вина.

Ссылки

1. Манчини, Рон; Палмер, Ричард (март 2001 г.). "Отчет о применении SLOA060: Sine-Wave Oscillator" (PDF) . Texas Instruments Inc . Получено 12 августа 2015 г. .
2. Gottlieb, Irving (1997). Практический справочник по осцилляторам. Elsevier. С. 49–53. ISBN 0080539386.
3. Коутс, Эрик (2015). «Осцилляторы. Модуль 1 — Основы осцилляторов». Узнайте об электронике . Эрик Коутс . Получено 7 августа 2015 г.
4. Коутс, Эрик (2015). "Осцилляторы. Модуль 3 - Осцилляторы синусоидальной волны АЧ" (PDF) . Узнайте об электронике . Эрик Коутс . Получено 7 августа 2015 г. .
5. Чаттопадхай, Д. (2006). Электроника (основы и приложения). New Age International. С. 224–225. ISBN 81-224-1780-9.
6. "RC-генераторы с обратной связью". Учебник по электронике . DAEnotes. 2013. Получено 9 августа 2015 г.
7. Рао, Б.; Раджешвари, К.; Пантулу, П. (2012). Анализ электронных цепей. Индия: Pearson Education India. стр. 8.2–8.6, 8.11. ISBN 978-8131754283.
8. Эрик Коутс, 2015, Генераторы синусоидальной волны АФ, стр. 10
9. Грошковский, Януш (2013). Частота автоколебаний. Эльзевир. стр. 397–398. ISBN 978-1483280301.
10. Министерство армии (1962) [1959], Основная теория и применение транзисторов , Технические руководства, Дувр, стр. 178–179, TM 11-690
11. Штраус, Леонард (1970), «Почти синусоидальные колебания — линейное приближение», Генерация и формирование волн (второе изд.), McGraw-Hill, стр. 663–720на странице 661: «Из этого следует, что если A β > 1 в области слабого сигнала, амплитуда будет нарастать до тех пор, пока ограничитель не стабилизирует систему...»
12. Штраус 1970, стр. 694, «По мере увеличения амплитуды сигнала активное устройство будет переключаться из активного режима работы в области нулевого усиления отсечки и насыщения».
13. Штраус 1970, стр. 703–706, Экспоненциальное ограничение — биполярный транзистор .
14. Штраус 1970, стр. 664, «Если допускается грубая нелинейная работа, ограничитель исказит сигнал, и выходной сигнал будет далек от синусоиды».
15. Штраус 1970, стр. 664, «В качестве альтернативы, резистор с контролируемой амплитудой или другой пассивный нелинейный элемент может быть включен как часть усилителя или в цепь определения частоты».
16. Штраус 1970, стр. 706–713, Амплитуда колебаний — Часть II, Автоматическая регулировка усиления .
17. Министерство армии 1962, стр. 179–180.

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с RC-генераторами на Wikimedia Commons