Генератор синусоидального сигнала со стабильной амплитудой


В статье рассмотрен разработанный автором генератор сину-соидальных колебаний фиксированной низкой частоты, имеющих высокую стабильность амплитуды.

Он содержит всего один операционный усилитель, три параллельных стабилизатора напряжения и один полевой транзистор. Особенность генераторов с мостом Вина в цепи обратной связи - необходимость точно поддерживать необходимый коэффициент передачи усилительного звена.

Для поддержания амплитуды синусоидальных колебаний на определённом уровне, гарантирующем минимальные искажения и максимальную временную и температурную стабильность, необходима регулируемая обратная связь.

В качестве регулирующих её элементов применяют лампы накаливания, терморезисторы, диоды, стабилитроны, полевые транзисторы.

Температурная и временная стабильность большинства генераторов, использующих для стабилизации указанные элементы, как правило, недостаточны для применения в измерительных устройствах. Поэтому часто применяют дополнительные меры для её повышения.

Например, в прецизионном генераторе синусоидальных колебаний [1] цепь АРУ образована дифференциальным усилителем на паре транзисторов и полевым транзистором, работающим в режиме регулируемого напряжением сопротивления.

Температурный дрейф выходного напряжения генератора определяется в основном свойствами транзисторов дифференциального усилителя и при тщательной их подборке не превышает 1 мВ/°С.

В генераторе синусоидальных сигналов [2] применена микросхема преобразователя среднеквадратичного напряжения в постоянное LTC1968 с усилителем ошибки на ОУ, управляющим полевым транзистором в цепи АРУ. Стабильность амплитуды этого генератора - 0,1 %.

В генераторах [3, 4] выпрямленное генерируемое колебание сравнивается с образцовым напряжением, а их усиленная разность управляет сопротивлением канала полевого транзистора. Н

естабильность амплитуды у генератора [4] не превышает нескольких десятков милливольт. Кстати, при повторении этого генератора необходимо заменить транзистор КП103, например, на КП305Ж, иначе генератор не заработает.

Принципиальная схема

Я предлагаю построить генератор иначе. Его схема изображена на рис. 1. Собственно генератор собран на ОУ DA4 КР140УД1208, отличающемся малым потребляемым током.

Принципиальная схема генератора синусоидального сигнала со стабильной амплитудой

Рис. 1. Принципиальная схема генератора синусоидального сигнала со стабильной амплитудой.

Мост Вина R11C8R15C9 задаёт частоту генерации 50 Гц. Для настройки на другую частоту элементы моста рассчитывают по формуле

расчетная формула

где R=R11=R15, а С=С8=С9. Для минимизации искажений элементы моста должны быть подобраны точно.

Стабилизирует амплитуду генерируемых колебаний работающий в режиме управляемого напряжением резистора полевой транзистор VT1 в цепи отрицательной обратной связи ОУ.

Управляющее напряжение поступает на затвор полевого транзистора с выхода компаратора, выполненного на параллельных стабилизаторах напряжения DA2 и DA3, который реагирует на разность положительного амплитудного значения выходного напряжения генератора и термокомпенсированного порогового напряжения 2,5 В стабилизатора DA2.

При положительном значении этой разности напряжение на катоде стабилизатора DA2 - около +2 В, в противном случае оно близко к напряжению питания (+6 В).

Стабилизатор DA3 служит логическим инвертором напряжения на катоде стабилизатора DA2. Постоянная времени интегрирующей цепи R8C7 выбрана значительно большей периода генерируемых колебаний, чтобы АРУ, стабилизируя амплитуду сигнала, не искажала его синусоидальную форму. При частоте колебаний 50 Гц время их установления достигает нескольких секунд.

На рис. 2-5 показаны осциллограммы сигналов в некоторых точках генератора. Они сняты при скорости горизонтальной развёртки 5 мкс/дел. и коэффициенте отклонения по вертикали 2 В/дел.

Источником напряжения +6 В служит стабилизатор DA1. Ёмкость конденсатора С6, устраняющего возможное самовозбуждение микросхемы DA1, выбрана с учётом границ стабильности, указанных в [5] (с. 13, рис. 16).

Интегрирующая цепь R16C10 предназначена для контроля симметрии генерируемого сигнала относительно нулевого уровня. Её добиваются, установив подстроечным резистором R14 нулевое напряжение в контрольной точке XT1.

Осциллограмма сигнала - выход DA4

Рис. 2. Осциллограмма сигнала - выход DA4.

Осциллограмма сигнала - вывод 3 DA2

Рис. 3. Осциллограмма сигнала - вывод 3 DA2.

Осциллограмма сигнала - вывод 1 DA3

Рис. 4. Осциллограмма сигнала - вывод 1 DA3.

Осциллограмма сигнала - вывод 3 DA3

Рис. 5. Осциллограмма сигнала - вывод 3 DA3.

Генератор был испытан на термостабильность путём его нагрева до температуры 30 °С. Исходное эффективное значение выходного синусоидального напряжения 2 Вэфф увеличилось на 4 мВ, что соответствует 0,13 мВ/°С или 0,0065 %/°С. При этом ток, потребляемый от источника напряжения +9 В, был равен 3,2 мА, а от источника напряжения -9 В - 0,5 мА.

Эффективное значение генерируемого напряжения оставалось неизменным при изменении плюсового напряжения питания в пределах +(8...Ю) В, а минусового - в пределах -(4... 10) В. Следовательно, генератор можно питать нестабилизированным напряжением.

Для правильной работы генератора значения сопротивления резисторов R9-R12 должны относиться как 10:1:0,63:1,9. Для резисторов R9, R10, R12 это соответствует наиболее устойчивой работе генератора с мостом Вина, а для резистора R11 - минимальному дрейфу ОУ.

Детали

Конденсаторы С7-С9 - плёночные MKS2, имеющие стабильную ёмкость и высокое сопротивление изоляции, причём ёмкость конденсаторов С8 и С9 подобрана одинаковой с точностью 0,1 %.

Возможно применение прецизионных конденсаторов К71-7. Конденсатор C10 - оксидный неполярный. Резисторы R9-R12 - С2-29В или С2-14, остальные - МЛТ или подобные.

Генератор, собранный по аналогичной схеме на операционном усилителе 140УД17А, обеспечил температурную стабильность амплитуды колебаний 0,03 мВ/°С или 0,0015 %/°С.

Б. Демченко, г. Киев, Украина. Р-05-19.

Литература:

  1. Алексенко А. Г, Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985.
  2. Генератор синусоидальных сигналов с высокой амплитудной стабильностью и малыми искажениями. - elcomdesign.ru.
  3. Ленк Дж. 500 практических схем на популярных ИС. - М.: ДМК Пресс, 2001.
  4. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1984.
  5. TL431, TL431A Прецизионные настраиваемые параллельные стабилизаторы напряжения. - naliwator.narod.ru - tl431rus.pdf.

0 162 Генераторы
генератор сигналов измерения генератор импульсов
Написать комментарий:

cashback