Оглавление:
Синусоидальные генераторы это устройства, создающие на выходе сигнал синусоидальной формы, или ещё называемый гармоническим сигналом. Они делятся на несколько категорий в зависимости от используемой технологии и частотного диапазона.
Типы генераторов синусоидного сигнала
Рассмотрим основные типы:
- Генераторы с контуром. Эти генераторы используют резонансный контур, состоящий из индуктивностей (L) и конденсаторов (C), что позволяет генерировать высокочастотные сигналы. Такие устройства часто называют радиочастотными генераторами (R.F.). К этой категории относятся: генераторы Хартли, генераторы Колпитта, генераторы Клаппа и другие.
- RC-генераторы. Данный тип генераторов использует комбинацию резисторов (R) и конденсаторов (C) для создания сигналов низкой или звуковой частоты. Из-за этого их также называют генераторами звуковой частоты (A.F.). К типичным представителям относятся: генераторы с фазовым сдвигом, генераторы на мосте Вейна.
- Кварцевые генераторы. Эти генераторы работают на основе кварцевых кристаллов, что обеспечивает высокую стабильность выходного сигнала с частотой до 10 МГц. Одним из ярких примеров является пьезогенератор.
- Генераторы с отрицательным сопротивлением. Принцип их работы основан на использовании отрицательного сопротивления, которое проявляется в некоторых устройствах, например, в туннельных диодах. Одним из примеров таких генераторов является настроенный диодный генератор.
Каждый из перечисленных типов генераторов имеет свои особенности и применяется в зависимости от требований к частотным характеристикам и стабильности сигнала. Давайте же посмотрим, как самому сделать упрощенные схемы генератора синусоидальной волны, используя доступные компоненты, которые есть под рукой даже начинающего радиолюбителя.
Усилитель с положительной обратной связью обеспечивает соответствие выходного сигнала фазе входного и увеличивает мощность сигнала. Положительная обратная связь также называется прямой обратной связью. Это и превращает усилитель с обратной связью в генератор.
Схема генератора с LC-фильтром
Сигнал прямоугольной волны легче сгенерировать, чем синусоидальный сигнал. А уже затем можно использовать схему LC-фильтра для преобразования прямоугольной волны в синусоидальную. Все, что нужно сделать, это поставить правильный резонансный LC-контур на выходе генератора прямоугольных импульсов, чтобы преобразовать его в синус.
Вот классический пример такой схемы для генерации синусоиды. Как видите, она основана на микросхеме таймере 555 (как и такой генератор импульсов), работающей от стабильного источника питания 5 В.
В этой схеме генератора прямоугольных импульсов RC-цепь состоит из резистора 4,7 кОм и конденсатора 100 нФ. Таким образом получаем частоту около 1,5 кГц.
Поскольку выходной прямоугольный сигнал имеет частоту приблизительно 1,5 кГц, необходимо создать LC-цепочку, которая резонирует на этой частоте, чтобы получить на выходе нормальный синусоидальный сигнал.
Расчет фильтра LC предполагает значения 10 мГн для дросселя и 1 мкФ для конденсатора. Дроссель, используемый в тестовой схеме на макетной плате, представлял собой барабанный сердечник индуктивностью 10 мГн (1 А).
Используйте правильные значения для LC, чтобы получить красивый синусоидальный выходной сигнал. То есть, если вы меняете частоту прямоугольного сигнала, значит должны изменить и значения частей LC-фильтра, чтобы можно было добиться правильного резонанса для этой частоты — придётся заняться расчетами. Аналогично, значение конденсатора в RC-цепи может потребовать некоторой коррекции. Пришлось изменить его значение на 68 нФ, чтобы получить желаемый синусоидальный выход. Вот сигнал на осциллографе.
В общем нужно сначала сгенерировать прямоугольную волну. Согласно теории Фурье, квадратная волна состоит из фундаментальной синусоиды и бесконечного числа нечетных гармоник. Итак, направьте квадратную волну на LC-фильтр (или RC-фильтр), чтобы получить синусоиду нужной частоты.
Схема генератора с RC-фильтром
Идея RC-фильтра проста и удобна. Поскольку RC-цепь вносит значительный фазовый сдвиг, RC-генератор со сдвигом фаз может создавать синусоидальный выходной сигнал. Генератор сдвига фазы RC на самом деле является электронным генератором, который производит синусоидальную волну с помощью сети сдвига фазы резистор-конденсатор. Он состоит из инвертирующего усилительного элемента, такого как биполярный транзистор, выход которого подается обратно на вход через сеть сдвига фазы, состоящую из резисторов и конденсаторов. Затем сеть обратной связи RC сдвигает фазу усилителя на частоте колебаний, чтобы обеспечить необходимую положительную обратную связь.
Обратите внимание, что в схеме генератора должно использоваться не менее двух полюсов, но генераторы, построенные с двумя каскадными RC-секциями, имеют плохую стабильность частоты. Поскольку 3 равные каскадные RC-фильтрующие секции обеспечивают улучшенную стабильность частоты для результирующего генератора, наиболее распространенная RC-фазосдвигающая цепь каскадирует 3 идентичных резистивно-емкостных каскада.
Другой популярный способ создания простого генератора синусоидальной волны — применение RC-цепи для создания необходимого сдвига фаз, который используется в цепи обратной связи инвертирующего усилителя.
Обратите внимание, что цепь обратной связи резистор-конденсатор, подключенная, как показано выше, создает опережающий фазовый сдвиг. Если 3 резистора и 3 конденсатора в цепи обратной связи имеют одинаковое значение, то выходная частота определяется просто как fr = 1/2 RC
Где:
- ƒr = Выходная частота генератора в Гц
- R = сопротивление обратной связи в Омах
- C = емкость обратной связи в Фарадах
- N = Количество ступеней обратной связи RC
Далее практическая принципиальная схема транзисторного RC-генератора со сдвигом фаз.
Вот сборка устройства на макетной плате. Частота ~1,4 кГц при 12 В питания.
Вот и фото осциллографа, подтверждающее, что схема работает даже на макетной плате.
Теперь перейдем к другим идеям получения синусоидного сигнала.
- Мостовой генератор Вина — это старый, но хороший низкочастотный синусоидальный генератор. Мостовой генератор Вина, названный в честь Макса Карла Вина, — это тип фазосдвигающего генератора, который генерирует синусоидальные волны на выходе.
- Еще один очень популярный генератор синусоидальной волны — это кварцевый генератор Колпитца. Генератор Колпитца может использоваться как высокочастотный генератор синусоидальной волны.
- Фильтр Twin-T в контуре обратной связи операционного усилителя может использоваться для генерации синусоиды. Один элемент содержит фильтр нижних частот RCR, а другой — фильтр верхних частот CRC. Вместе эти схемы образуют режекторный фильтр, который настраивается на нужную частоту колебаний.
- Другой способ — просто сложить две прямоугольные волны одинаковой амплитуды, где одна смещена на 90° относительно другой. Результатом является сигнал, который можно использовать в некоторых случаях для замены синусоидальной волны.
Стабильность генератора
Стабильность частоты генератора является мерой его способности поддерживать постоянную частоту в течение долгого времени. При работе частота генератора может отклоняться от ранее установленного значения либо в сторону увеличения, либо в сторону уменьшения. Изменение частоты генератора может быть вызвано следующими факторами:
- Рабочая точка активного устройства, такого как транзистор, должна находиться в линейной области усилителя. Ее отклонение повлияет на частоту генератора.
- Температурная зависимость характеристик компонентов схемы влияет на частоту генератора.
- Изменения напряжения питания, подаваемого на устройство, приводят к изменению частоты генератора. Этого можно избежать, если использовать стабильный источник питания.
- Изменение выходной нагрузки может вызвать изменение добротности контура LC, тем самым вызывая изменение выходной частоты генератора.
- Наличие межэлементных емкостей и паразитных емкостей также влияет на выходную частоту генератора и, следовательно, на стабильность частоты.
Конечно схемы, показанные здесь, полностью рабочие, если вы захотите с ними поэкспериментировать. Только помните, что фактическая точность, по сравнению с вычислениями, в большинстве случаев будет зависеть от допусков радиокомпонентов, используемых в сборке.
