10.13. RС-генераторы

RC-генераторы на базе ОУ выполняются с использованием фазосдвигающих или частотно-избирательных цепей.

Схема RC-генератора первого типа показана на рис. 10.45, a [48]. В ней обратная связь вводится через фазосдвигающую цепь лестничной структуры, состоящую из резисторов R и конденсаторов С. Для получения требуемого коэффициента усиления ОУ охватывается дополнительно частотно-независимой обратной связью через резистор R3.

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы коэффициент усиления был больше единицы. В то же время для получения минимальных искажений генерируемого сигнала необходимо, чтобы он был близок к единице. Для разрешения этих противоречивых требований в генераторе введена нелинейная обратная связь с помощью диодов VD1 и VD2, которые начинают открываться только после того, как амплитуда автоколебаний превысит постоянное запирающее напряжение смещения, задаваемое с помощью делителей на резисторах Rl, R2. При открывании диодов глубина обратной связи увеличивается и коэффициент усиления уменьшается, что приводит к стабилизации амплитуды автоколебаний. Напряжения смещения диодов обычно подбираются при настройке.

Ориентировочное значение частоты колебаний генератора по схеме на рис. 10.45, а определяется по формуле [48]:

Теперь рассмотрим результаты осциллографических измерений (рис. 10.45, 6). Из осциллограмм видно, что форма колебаний далека от идеальной. Период колебаний, определяемый временным интервалом Т2-Т1 между визирными линейками, равен 375 мс, тогда как по расчету он равен 218 мс. Такое несоответствие вполне возможно, так как использованная формула имеет ориентировочный характер (см. разд. 8.1).

Перестройка частоты автоколебаний цепочечных генераторов затруднена, поэтому их обычно используют только в неперестраиваемых генераторах. Перестраиваемые RC-генераторы чаще всего создаются на основе многокаскадного усилителя, охваченного избирательной положительной обратной связью через мостовую цепь, например, мост Вина. В такой схеме для получения синусоидальных колебаний определенной частоты необходимо, чтобы условия возбуждения выполнялись только для этой частоты. Усилители переменного тока, используемые в подобных генераторах, имеют четное число каскадов, которые обеспечивают фазовый сдвиг выходного напряжения по отношению к входному, кратный 360". Анализ генератора с мостом Вина показывает [48], что при этом необходимо еще обеспечить коэффициент обратной связи, примерно равный 1/3.

На рис. 10.46, а приведена схема генератора с мостом Вина, взятая из каталога схем программы EWB (схемный файл wienoscl.ca4). В ней коэффициент обратной связи R2/(R1+R3) действительно близок к 1/3. Для положительной полуволны выходного напряжения (начиная с 5 В) он несколько меньше за счет нелинейной обратной связи на диоде D1, принцип работы которой аналогичен схеме на рис. 10.45, а. Частота колебаний такого генератора определяется формулой:

Из осциллограммы на рис. 10.46, б видно, что период колебаний составляет 1,26 мс, что практически совпадает с расчетным значением 1,256 мс.

Приведем еще один вариант схемы генератора с мостом Вина из каталога программы, показанной на рис. 10.47. Отличие этого генератора от генератора на рис. 10.46 заключается в введении симметричной нелинейной обратной связи для обеих полуволн выходного напряжения за счет использования двух стабилитронов VD (напряжение стабилизации 5 В) и возможности корректировки изменением соотношения сопротивлений резисторов R1 и R1'.

Следует заметить, что в измерительных генераторах с использованием моста Вина отрицательную обратную связь делают температурнозависимой, причем терморезистор включают так, чтобы с увеличением амплитуды выходного напряжения и, соответственно, температуры терморезистора глубина обратной связи увеличивалась. Такая обратная связь позволяет стабилизировать амплитуду выходного напряжения и обеспечивает минимальное время установления амплитуды автоколебаний [48].

Из схем на рис. 10.46 и 10.47 видно, что перестройка частоты генераторов может осуществляться сдвоенными (находящимися на одной оси) потенциометрами.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие схемы используются при построении RC-генераторов на ОУ?

2. С помощью схемы на рис. 10.45, а исследуйте зависимость амплитуды и частоты колебаний от напряжения смещения диодов, задаваемого делителем на резисторах R1 и R2 (целесообразно варьировать сопротивление резистора R1).

3. Исследуйте зависимость формы и амплитуды выходного напряжения генератора на рис. 10.46, а от напряжения смещения диода и коэффициента обратной связи.

4. Исследуйте зависимость амплитуды и формы выходного сигнала генератора на рис. 10.47 от напряжения стабилизации стабилитронов.

5. Используя схему на рис. 10.47, исследуйте зависимость амплитуды и формы выходного напряжения от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R1' при неизменном коэффициенте обратной связи, т.е. при R2/(R2+Rl+Rl')=const.