I amatørradiopraksis er det ofte behov for å bruke en sinusformet oscillasjonsgenerator. Du kan finne et bredt utvalg av applikasjoner for det. La oss se på hvordan du lager en sinusformet signalgenerator på en Wien-bro med en stabil amplitude og frekvens.

Artikkelen beskriver utviklingen av en sinusformet signalgeneratorkrets. Du kan også generere ønsket frekvens programmatisk:

Den mest praktiske versjonen av en sinusformet signalgenerator fra monterings- og justeringssynspunkt er en generator bygget på en Wien-bro, ved bruk av en moderne operasjonsforsterker (OP-Amp).

Vinbroen

Selve Wien-broen er et båndpassfilter som består av to. Den understreker sentralfrekvensen og undertrykker andre frekvenser.

Broen ble oppfunnet av Max Wien i 1891. På et skjematisk diagram er selve Wien-broen vanligvis avbildet som følger:

Bilde lånt fra Wikipedia

En Wien-bro har et utgangsspenning til inngangsspenningsforhold b=1/3 . Dette er et viktig poeng, fordi denne koeffisienten bestemmer betingelsene for stabil generasjon. Men mer om det senere

Hvordan beregne frekvens

Autogeneratorer og induktansmålere bygges ofte på Wien-broen. For ikke å komplisere livet ditt, bruker de vanligvis R1=R2=R Og C1=C2=C . Takket være dette kan formelen forenkles. Den grunnleggende frekvensen til broen beregnes fra forholdet:

f=1/2πRC

Nesten ethvert filter kan betraktes som en frekvensavhengig spenningsdeler. Derfor, når du velger verdiene til motstanden og kondensatoren, er det ønskelig at ved resonansfrekvensen er den komplekse motstanden til kondensatoren (Z) lik eller i det minste av samme størrelsesorden som motstanden til motstand.

Zc=1/ωC=1/2πνC

Hvor ω (omega) - syklisk frekvens, ν (nu) - lineær frekvens, ω=2πν

Wien bro og operasjonsforsterker

Wien-broen i seg selv er ikke en signalgenerator. For at generering skal skje, må den plasseres i den positive tilbakekoblingskretsen til operasjonsforsterkeren. En slik selvoscillator kan også bygges ved hjelp av en transistor. Men å bruke en op-amp vil helt klart forenkle livet og gi bedre ytelse.

Gevinstfaktor på tre

Wien-broen har en transmittans b=1/3 . Derfor er betingelsen for generering at op-ampen må gi en forsterkning på tre. I dette tilfellet vil produktet av overføringskoeffisientene til Wien-broen og forsterkningen til op-ampen gi 1. Og stabil generering av den gitte frekvensen vil oppstå.

Hvis verden var ideell, ville vi ved å sette den nødvendige forsterkningen med motstander i den negative tilbakekoblingskretsen få en ferdig generator.

Dette er en ikke-inverterende forsterker og forsterkningen bestemmes av forholdet:K=1+R2/R1

Men akk, verden er ikke ideell. ... I praksis viser det seg at for å starte generasjon er det nødvendig at i det aller første øyeblikket koeffisienten. gevinsten var litt mer enn 3, og deretter for stabil generasjon ble den opprettholdt på 3.

Hvis forsterkningen er mindre enn 3, vil generatoren stoppe hvis den er mer, vil signalet, når det når forsyningsspenningen, begynne å forvrenges og metning vil oppstå.

Når den er mettet, vil utgangen opprettholde en spenning nær en av forsyningsspenningene. Og tilfeldig kaotisk veksling mellom forsyningsspenninger vil forekomme.

Derfor, når de bygger en generator på en Wien-bro, tyr de til å bruke et ikke-lineært element i den negative tilbakekoblingskretsen som regulerer forsterkningen. I dette tilfellet vil generatoren balansere seg selv og opprettholde generasjonen på samme nivå.

Amplitudestabilisering på en glødelampe

I den mest klassiske versjonen av generatoren på Wien-broen ved op-ampen brukes en lavspentglødelampe i miniatyr, som er installert i stedet for en motstand.

Når en slik generator slås på, i det første øyeblikket, er lampespiralen kald og motstanden lav. Dette hjelper til med å starte generatoren (K>3). Deretter, når den varmes opp, øker motstanden til helixen og forsterkningen avtar til den når likevekt (K=3).

Den positive tilbakemeldingskretsen som Wien-broen ble plassert i forblir uendret. Generatorens generelle kretsskjema er som følger:

Positive tilbakemeldingselementer til operasjonsforsterkeren bestemmer generasjonsfrekvensen. Og elementene i negativ tilbakemelding er forsterkning.

Ideen om å bruke en lyspære som kontrollelement er veldig interessant og brukes fortsatt i dag. Men dessverre har lyspæren en rekke ulemper:

• valg av en lyspære og en strømbegrensende motstand R* er nødvendig.
• Ved regelmessig bruk av generatoren er levetiden til lyspæren vanligvis begrenset til flere måneder
• Styreegenskapene til lyspæren avhenger av temperaturen i rommet.

Et annet interessant alternativ er å bruke en direkte oppvarmet termistor. I hovedsak er ideen den samme, men i stedet for en lyspære glødetråd, brukes en termistor. Problemet er at du først må finne det og igjen velge det og strømbegrensende motstander.

Amplitudestabilisering på lysdioder

En effektiv metode for å stabilisere amplituden til utgangsspenningen til en sinusformet signalgenerator er å bruke op-amp LED-er i den negative tilbakekoblingskretsen ( VD1 Og VD2 ).

Hovedforsterkningen er satt av motstander R3 Og R4 . De resterende elementene ( R5 , R6 og lysdioder) justerer forsterkningen innenfor et lite område, og holder utgangen stabil. Motstand R5 du kan justere utgangsspenningen i området ca. 5-10 volt.

I den ekstra OS-kretsen er det tilrådelig å bruke motstander med lav motstand ( R5 Og R6 ). Dette vil tillate betydelig strøm (opptil 5mA) å passere gjennom lysdiodene, og de vil være i optimal modus. De vil til og med gløde litt :-)

I diagrammet vist ovenfor er Wien-broelementene designet for å generere ved en frekvens på 400 Hz, men de kan enkelt beregnes på nytt for en hvilken som helst annen frekvens ved å bruke formlene presentert i begynnelsen av artikkelen.

Kvalitet på generasjon og elementer brukt

Det er viktig at operasjonsforsterkeren kan gi den strømmen som er nødvendig for generering og har tilstrekkelig frekvensbåndbredde. Å bruke de populære TL062 og TL072 som op-forsterkere ga veldig triste resultater ved en generasjonsfrekvens på 100 kHz. Signalformen kunne knapt kalles en sinusformet, den var mer som et trekantet signal. Bruk av TDA 2320 ga enda dårligere resultater.

Men NE5532 viste sin utmerkede side, og produserte et utgangssignal veldig likt et sinusformet. LM833 taklet også oppgaven perfekt. Så det er NE5532 og LM833 som anbefales brukt som rimelige og vanlige op-forsterkere av høy kvalitet. Selv om, med en reduksjon i frekvens, vil resten av op-forsterkerne føles mye bedre.

Nøyaktigheten til generasjonsfrekvensen avhenger direkte av nøyaktigheten til elementene i den frekvensavhengige kretsen. Og i dette tilfellet er det viktig ikke bare at verdien av elementet tilsvarer inskripsjonen på den. Mer presise deler har bedre stabilitet av verdier med temperaturendringer.

I forfatterens versjon ble det brukt en motstand av type C2-13 ±0,5 % og glimmerkondensatorer med en nøyaktighet på ±2 %. Bruken av motstander av denne typen skyldes den lave avhengigheten av motstanden deres på temperaturen. Glimmerkondensatorer er også lite avhengig av temperatur og har lav TKE.

Ulemper med lysdioder

Det er verdt å fokusere på lysdioder separat. Deres bruk i en sinusgeneratorkrets er forårsaket av størrelsen på spenningsfallet, som vanligvis ligger i området 1,2-1,5 volt. Dette lar deg oppnå en ganske høy utgangsspenning.

Etter å ha implementert kretsen på et breadboard, viste det seg at på grunn av variasjonen i LED-parametere, er frontene til sinusbølgen ved generatorutgangen ikke symmetriske. Det er litt merkbart selv på bildet ovenfor. I tillegg var det små forvrengninger i formen av den genererte sinusen, forårsaket av den utilstrekkelige driftshastigheten til lysdiodene for en generasjonsfrekvens på 100 kHz.

4148 dioder i stedet for lysdioder

LED-ene er byttet ut med de elskede 4148-diodene. Dette er rimelige, høyhastighets signaldioder med svitsjhastigheter på mindre enn 4 ns. Samtidig forble kretsen fullt operativ, ikke et spor gjensto av problemene beskrevet ovenfor, og sinusoiden fikk et ideelt utseende.

I det følgende diagrammet er elementene i vinbroen designet for en generasjonsfrekvens på 100 kHz. Dessuten ble den variable motstanden R5 erstattet med konstante, men mer om det senere.

I motsetning til lysdioder er spenningsfallet over p-n-krysset til konvensjonelle dioder 0,6÷0,7 V, så utgangsspenningen til generatoren var omtrent 2,5 V. For å øke utgangsspenningen er det mulig å koble flere dioder i serie, i stedet for en , for eksempel slik:

Økning av antall ikke-lineære elementer vil imidlertid gjøre generatoren mer avhengig av ytre temperatur. Av denne grunn ble det besluttet å forlate denne tilnærmingen og bruke en diode om gangen.

Bytte ut en variabel motstand med en konstant

Nå om innstillingsmotstanden. Opprinnelig ble en 470 Ohm multi-turn trimmermotstand brukt som motstand R5. Det gjorde det mulig å nøyaktig regulere utgangsspenningen.

Når du bygger en hvilken som helst generator, er det svært ønskelig å ha et oscilloskop. Variabel motstand R5 påvirker generasjonen direkte - både amplitude og stabilitet.

For den presenterte kretsen er generasjonen stabil bare i et lite motstandsområde for denne motstanden. Hvis motstandsforholdet er større enn nødvendig, begynner klipping, d.v.s. sinusbølgen vil bli klippet ovenfra og under. Hvis det er mindre, begynner formen på sinusoiden å forvrenges, og med en ytterligere reduksjon stopper generasjonen.

Det avhenger også av forsyningsspenningen som brukes. Den beskrevne kretsen ble opprinnelig satt sammen med en LM833 op-amp med en ±9V strømforsyning. Deretter, uten å endre kretsen, ble op-ampene erstattet med AD8616, og forsyningsspenningen ble endret til ±2,5V (maksimum for disse op-ampene). Som et resultat av denne utskiftingen ble sinusoiden ved utgangen kuttet av. Utvalget av motstander ga verdier på 210 og 165 ohm, i stedet for henholdsvis 150 og 330.

Hvordan velge motstander "etter øye"

I prinsippet kan du forlate innstillingsmotstanden. Alt avhenger av den nødvendige nøyaktigheten og den genererte frekvensen til det sinusformede signalet.

For å gjøre ditt eget valg, bør du først og fremst installere en innstillingsmotstand med en nominell verdi på 200-500 ohm. Ved å mate generatorens utgangssignal til oscilloskopet og rotere trimmemotstanden, nå øyeblikket når begrensningen begynner.

Deretter, ved å senke amplituden, finn posisjonen der formen på sinusoiden vil være best. Nå kan du fjerne trimmeren, måle de resulterende motstandsverdiene og lodde verdiene så nært som mulig.

Hvis du trenger en sinusformet lydsignalgenerator, kan du klare deg uten et oscilloskop. For å gjøre dette, igjen, er det bedre å nå øyeblikket når signalet, ved øret, begynner å bli forvrengt på grunn av klipping, og deretter redusere amplituden. Du bør skru ned til forvrengningen forsvinner, og deretter litt til. Dette er nødvendig pga Det er ikke alltid mulig å oppdage forvrengninger på engang 10 % ved øret.

Ekstra forsterkning

Sinusgeneratoren ble satt sammen på en dobbel op-amp, og halvparten av mikrokretsen ble hengende i luften. Derfor er det logisk å bruke den under en justerbar spenningsforsterker. Dette gjorde det mulig å flytte en variabel motstand fra den ekstra generatorens tilbakemeldingskrets til spenningsforsterkertrinnet for å regulere utgangsspenningen.

Bruken av et ekstra forsterkertrinn garanterer bedre matching av generatorutgangen med belastningen. Den ble bygget i henhold til den klassiske ikke-inverterende forsterkerkretsen.

De angitte vurderingene lar deg endre forsterkningen fra 2 til 5. Om nødvendig kan vurderingene beregnes på nytt for å passe den nødvendige oppgaven. Kaskadeforsterkningen er gitt av relasjonen:

K=1+R2/R1

Motstand R1 er summen av variable og konstante motstander koblet i serie. En konstant motstand er nødvendig slik at forsterkningen ved minimumsposisjonen til den variable motstandsknappen ikke går til uendelig.

Hvordan styrke produksjonen

Generatoren var ment å fungere ved en lav motstandsbelastning på flere ohm. Selvfølgelig kan ikke en eneste laveffekt op-amp produsere den nødvendige strømmen.

For å øke effekten ble en TDA2030 repeater plassert ved generatorutgangen. Alle godbitene ved denne bruken av denne mikrokretsen er beskrevet i artikkelen.

Og slik ser kretsen til hele den sinusformede generatoren med en spenningsforsterker og en repeater ved utgangen ut:

Sinusgeneratoren på Wien-broen kan også monteres på selve TDA2030 som en op-amp. Alt avhenger av den nødvendige nøyaktigheten og den valgte generasjonsfrekvensen.

Hvis det ikke er spesielle krav til generasjonskvaliteten og den nødvendige frekvensen ikke overstiger 80-100 kHz, men det er ment å fungere med en lavimpedansbelastning, er dette alternativet ideelt for deg.

Konklusjon

En Wien-brogenerator er ikke den eneste måten å generere en sinusbølge på. Hvis du trenger høypresisjons frekvensstabilisering, er det bedre å se mot generatorer med kvartsresonator.

Imidlertid er den beskrevne kretsen egnet for de aller fleste tilfeller når det er nødvendig å oppnå et stabilt sinusformet signal, både i frekvens og amplitude.

Generering er bra, men hvordan måle nøyaktig størrelsen på høyfrekvent vekselspenning? Et opplegg kalt .

Materialet ble utarbeidet eksklusivt for nettstedet