RC-генератор

линейных электронных генераторов Схемы , генерирующих синусоидальный выходной сигнал, состоят из усилителя и частотно- селективного элемента — фильтра . Схема линейного генератора, в которой в качестве частотно-селективной части используется RC-цепь , комбинация резисторов и конденсаторов , называется RC-генератором .

Описание

RC-генераторы — это тип генератора обратной связи ; они состоят из усилительного устройства, транзистора , вакуумной лампы или операционного усилителя , часть выходной энергии которого возвращается на вход через сеть резисторов и конденсаторов , RC-сеть , для достижения положительной обратной связи , заставляя ее генерировать колебательное синусоидальное напряжение. ^[1]^[2]^[3] Они используются для создания более низких частот , в основном звуковых частот , в таких приложениях, как генераторы аудиосигналов и электронные музыкальные инструменты. ^[4]^[5] На радиочастотах используется другой тип генератора обратной связи, LC-генератор, но на частотах ниже 100 кГц размеры катушек индуктивности и конденсаторов, необходимых для LC-генератора, становятся громоздкими, и вместо них используются RC-генераторы. ^[6] Отсутствие громоздких индукторов также облегчает их интеграцию в микроэлектронные устройства. Поскольку частота генератора определяется номиналом резисторов и конденсаторов, которые изменяются в зависимости от температуры, RC-генераторы не обладают такой 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 контура обратной связи равен 360° (2π радиан) или кратен 360°, а коэффициент усиления контура (усиление в контуре обратной связи) равно единице. ^[7]^[1] Целью RC-цепи обратной связи является обеспечение правильного фазового сдвига на желаемой частоте колебаний, чтобы петля имела фазовый сдвиг на 360°, поэтому синусоидальная волна после прохождения через петлю будет находиться в фазе с синусоидальной волной в начале и укрепите его, что приведет к положительной обратной связи. ^[6] Усилитель обеспечивает усиление для компенсации потерь энергии при прохождении сигнала через сеть обратной связи, создавая устойчивые колебания. Пока коэффициент усиления усилителя достаточно высок, чтобы общий коэффициент усиления в контуре был равен единице или выше, схема обычно будет колебаться.

В схемах RC-генератора, в которых используется одно инвертирующее усилительное устройство, такое как транзистор, лампа или операционный усилитель, с обратной связью, подаваемой на инвертирующий вход, усилитель обеспечивает фазовый сдвиг на 180°, поэтому RC-сеть должна обеспечивать другой 180°. ^[6] Поскольку каждый конденсатор может обеспечить сдвиг фазы максимум на 90°, для RC-генераторов в цепи требуется как минимум два частотоопределяющих конденсатора (два полюса ), а большинство из них имеют три или более. ^[1] с сопоставимым количеством резисторов.

Это делает настройку схемы на разные частоты более сложной, чем в других типах, таких как LC-генератор, в котором частота определяется одной LC-цепью, поэтому необходимо изменять только один элемент. Хотя частоту можно изменять в небольшом диапазоне путем регулировки одного элемента схемы, для настройки RC-генератора в широком диапазоне необходимо изменять два или более резисторов или конденсаторов в унисон, что требует их механического соединения на одном и том же валу. ^[2]^[8] Частота колебаний пропорциональна обратной величине емкости или сопротивления, тогда как в LC-генераторе частота пропорциональна обратному квадратному корню из емкости или индуктивности. ^[9] Таким образом, данный переменный конденсатор в RC-генераторе может охватить гораздо более широкий диапазон частот. Например, переменный конденсатор, емкость которого можно изменять в диапазоне 9:1, даст RC-генератору частотный диапазон 9:1, а LC-генератору — только диапазон 3:1.

Некоторые примеры распространенных схем RC-генератора перечислены ниже:

Генератор фазового сдвига

В фазосдвигающем генераторе цепь обратной связи представляет собой три идентичные каскадно соединенные RC-секции. ^[10] В простейшей конструкции конденсаторы и резисторы в каждой секции имеют одинаковую величину. $\scriptstyle R\;=\;R1\;=\;R2\;=\;R3$ и $\scriptstyle C\;=\;C1\;=\;C2\;=\;C3$ . Тогда на частоте колебаний каждая RC-секция вносит сдвиг фазы на 60°, что в сумме составляет 180°. Частота колебаний

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

Цепь обратной связи имеет затухание 1/29, поэтому операционный усилитель должен иметь коэффициент усиления 29, чтобы обеспечить коэффициент усиления контура, равный единице, чтобы схема могла колебаться.

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

Твин-Т генератор

Другой распространенной конструкцией является генератор «Twin-T», поскольку в нем используются две RC-цепи «T», работающие параллельно. Одна схема представляет собой RCR «T», который действует как фильтр нижних частот . Вторая схема представляет собой CRC «T», который работает как фильтр верхних частот . Вместе эти схемы образуют мост, настроенный на нужную частоту колебаний. Сигнал в ветви CRC фильтра Твин-Т опережающий, в RCR — задержанный, поэтому они могут гасить друг друга по частоте. $f={\frac {1}{2\pi RC}}$ если $x=2$ ; если он подключен как отрицательная обратная связь к усилителю и x>2, усилитель становится генератором. (Примечание: $x=C2/C1=R1/R2$ .)

Квадратурный осциллятор

Квадратурный генератор использует два каскадно соединенных интегратора на операционных усилителях 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 схемах связи.

Можно стабилизировать квадратурный генератор, возведя в квадрат выходные сигналы синуса и косинуса, сложив их вместе ( тригонометрическое тождество Пифагора ), вычитая константу и применяя разницу к множителю, который регулирует усиление контура вокруг инвертора. Такие схемы имеют почти мгновенный амплитудный отклик на постоянный входной сигнал и чрезвычайно низкий уровень искажений.

Генераторы с низким уровнем искажений

Упомянутый выше критерий Баркгаузена не определяет амплитуду колебаний. Схема генератора только с линейными компонентами неустойчива по амплитуде. Пока усиление контура равно единице, амплитуда синусоидальной волны будет постоянной, но малейшее увеличение усиления из-за дрейфа значений компонентов приведет к неограниченному экспоненциальному увеличению амплитуды. Аналогично, малейшее уменьшение приведет к экспоненциальному затуханию синусоидальной волны до нуля. Следовательно, все практические генераторы должны иметь нелинейную составляющую в контуре обратной связи, чтобы уменьшать коэффициент усиления по мере увеличения амплитуды, что приводит к стабильной работе при амплитуде, при которой коэффициент усиления контура равен единице.

В большинстве обычных генераторов нелинейность — это просто насыщение (ограничение) усилителя при приближении амплитуды синусоидальной волны к шинам питания. Генератор спроектирован таким образом, чтобы коэффициент усиления контура малого сигнала превышал единицу. Более высокий коэффициент усиления позволяет генератору начать работу с экспоненциального усиления некоторого постоянно присутствующего шума. ^[11]

Когда пики синусоидальной волны приближаются к шинам питания, насыщение усилителя сглаживает (ограничивает) пики, уменьшая коэффициент усиления. Например, генератор может иметь коэффициент усиления контура 3 для небольших сигналов, но этот коэффициент усиления контура мгновенно падает до нуля, когда выходной сигнал достигает одной из шин питания. ^[12] Конечным эффектом является то, что амплитуда генератора стабилизируется, когда средний коэффициент усиления за цикл равен единице. Если среднее усиление контура больше единицы, выходная амплитуда увеличивается до тех пор, пока нелинейность не уменьшит среднее усиление до единицы; если среднее усиление контура меньше единицы, то выходная амплитуда уменьшается до тех пор, пока среднее усиление не станет равным единице. Нелинейность, снижающая коэффициент усиления, также может быть более незаметной, чем попадание в шину питания. ^[13]

Результатом такого усреднения усиления являются некоторые гармонические искажения выходного сигнала. Если коэффициент усиления слабого сигнала чуть больше единицы, то требуется лишь небольшое сжатие усиления, поэтому больших гармонических искажений не будет. Если коэффициент усиления слабого сигнала намного больше единицы, то будут присутствовать значительные искажения. ^[14] Однако для надежного запуска генератор должен иметь коэффициент усиления значительно выше единицы.

с очень низкими искажениями Поэтому в генераторах, которые должны генерировать синусоидальную волну , используется система, которая поддерживает примерно постоянный коэффициент усиления в течение всего цикла. В обычной конструкции используется лампа накаливания или термистор . в цепи обратной связи ^[15]^[16] этих генераторах сопротивление вольфрамовой нити В лампы 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 накала постепенно увеличивается, сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления контура падает (таким образом уменьшая выходной уровень генератора). Если уровень слишком низкий, лампа остывает и увеличивает коэффициент усиления. Генератор HP200A 1939 года использует эту технику. В современных вариантах могут использоваться явные детекторы уровня и усилители с регулируемым усилением.

Генератор моста Вина

Одной из наиболее распространенных схем стабилизации усиления является генератор моста Вина . ^[17] В этой схеме используются две RC-цепи: одна с RC-компонентами, включенными последовательно, а другая с RC-компонентами, включенными параллельно. Мост Вина часто используется в генераторах аудиосигналов , поскольку его можно легко настроить с помощью двухсекционного переменного конденсатора или двухсекционного переменного потенциометра (который легче получить, чем переменный конденсатор, подходящий для генерации на низких частотах). Типичный аудиогенератор HP200A представляет собой генератор Винского моста.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Манчини, Рон; Палмер, Ричард (март 2001 г.). «Отчет о применении SLOA060: Синусоидальный генератор» (PDF) . Техас Инструментс Инк . Проверено 12 августа 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Готлиб, Ирвинг (1997). Практическое руководство по генераторам . Эльзевир. стр. 49–53. ISBN 0080539386 .
^ Коутс, Эрик (2015). «Модуль осцилляторов 1 — Основы осцилляторов» . Узнайте об электронике . Эрик Коутс . Проверено 7 августа 2015 г.
^ Коутс, Эрик (2015). «Модуль генераторов 3 — Синусоидальные генераторы AF» (PDF) . Узнайте об электронике . Эрик Коутс . Проверено 7 августа 2015 г.
^ Чаттопадхай, Д. (2006). Электроника (основы и приложения) . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 224–225. ISBN 81-224-1780-9 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «RC-генераторы обратной связи» . Учебник по электронике . Примечания DAE. 2013 . Проверено 9 августа 2015 г.
^ Рао, Б.; Раджешвари, К.; Пантулу, П. (2012). Анализ электронных цепей . Индия: Pearson Education India. стр. 8.2–8.6, 8.11. ISBN 978-8131754283 .
^ Эрик Коутс, 2015, Синусоидальные генераторы AF, стр. 10
^ Грошковский, Януш (2013). Частота автоколебаний . Эльзевир. стр. 397–398. ISBN 978-1483280301 .
^ Департамент армии (1962) [1959], Основная теория и применение транзисторов , Технические руководства, Дувр, стр. 178–179, TM 11-690.
^ Штраус, Леонард (1970), «Почти синусоидальные колебания — линейное приближение», Генерация и формирование волн (второе изд.), McGraw-Hill, стр. 663–720 на стр. 661, «Из этого следует, что если $A β > 1$ в В области слабого сигнала амплитуда будет нарастать до тех пор, пока ограничитель не стабилизирует систему..."
^ Штраус 1970 , с. 694: «По мере увеличения амплитуды сигнала активное устройство переключится из активного режима в области среза и насыщения с нулевым усилением».
^ Штраус 1970 , стр. 703–706, Экспоненциальное ограничение — биполярный транзистор .
^ Штраус 1970 , с. 664: «Если разрешена грубая нелинейная работа, ограничитель будет искажать сигнал, и выходной сигнал будет далек от синусоидального».
^ Штраус 1970 , с. 664, «В качестве альтернативы, резистор с регулируемой амплитудой или другой пассивный нелинейный элемент может быть включен в состав усилителя или в схему определения частоты».
^ Штраус 1970 , стр. 706–713, Амплитуда колебаний — Часть II, Автоматическая регулировка усиления .
^ Министерство армии 1962 , стр. 179–180.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с RC-генераторами, на Викискладе?

[Mancini-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Манчини, Рон; Палмер, Ричард (март 2001 г.). «Отчет о применении SLOA060: Синусоидальный генератор» (PDF) . Техас Инструментс Инк . Проверено 12 августа 2015 г.

[Gottlieb-2] Перейти обратно: ^а ^б Готлиб, Ирвинг (1997). Практическое руководство по генераторам . Эльзевир. стр. 49–53. ISBN 0080539386 .

[Coates1-3] Коутс, Эрик (2015). «Модуль осцилляторов 1 — Основы осцилляторов» . Узнайте об электронике . Эрик Коутс . Проверено 7 августа 2015 г.

[Coates2-4] Коутс, Эрик (2015). «Модуль генераторов 3 — Синусоидальные генераторы AF» (PDF) . Узнайте об электронике . Эрик Коутс . Проверено 7 августа 2015 г.

[Chattopadhyay-5] Чаттопадхай, Д. (2006). Электроника (основы и приложения) . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 224–225. ISBN 81-224-1780-9 .

[DAEnotes-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с «RC-генераторы обратной связи» . Учебник по электронике . Примечания DAE. 2013 . Проверено 9 августа 2015 г.

[Rao-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 .

[Coates3-8] Эрик Коутс, 2015, Синусоидальные генераторы AF, стр. 10

[Groszkowski-9] Грошковский, Януш (2013). Частота автоколебаний . Эльзевир. стр. 397–398. ISBN 978-1483280301 .

[10] Департамент 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. 663–720 на стр. 661, «Из этого следует, что если $A β > 1$ в В области слабого сигнала амплитуда будет нарастать до тех пор, пока ограничитель не стабилизирует систему..."

[12] Штраус 1970 , с. 694: «По мере увеличения амплитуды сигнала активное устройство переключится из активного режима в области среза и насыщения с нулевым усилением».

[13] Штраус 1970 , стр. 703–706, Экспоненциальное ограничение — биполярный транзистор .

[14] Штраус 1970 , с. 664: «Если разрешена грубая нелинейная работа, ограничитель будет искажать сигнал, и выходной сигнал будет далек от синусоидального».

[15] Штраус 1970 , с. 664, «В качестве альтернативы, резистор с регулируемой амплитудой или другой пассивный нелинейный элемент может быть включен в состав усилителя или в схему определения частоты».

[16] Штраус 1970 , стр. 706–713, Амплитуда колебаний — Часть II, Автоматическая регулировка усиления .

[17] Министерство армии 1962 , стр. 179–180.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

v т и Электронные генераторы
Теория	Критерий устойчивости Баркгаузена Гармонический осциллятор Уравнение Лисона Критерий устойчивости Найквиста Фазовый шум генератора Фазовый шум
LC генераторы	Осциллятор Армстронга или Мейснера. Осциллятор Клаппа Осциллятор Колпитца Осциллятор Хартли Осциллятор Лэмпкина Генератор моста Мичема Осциллятор Зейлера Генератор Ваккара резонансный Ройер
RC-генераторы	Генератор фазового сдвига Твин-Т генератор Генератор моста Вина
Кварцевые генераторы	Генератор Батлера Осциллятор Пирса Тритет генератор
Релаксационные осцилляторы	Блокирующий генератор Мультивибратор Осциллятор Пирсона – Энсона базовый Ройер
Другой	Резонаторный генератор Генератор линии задержки Оптоэлектронный генератор кольцевой генератор Осциллятор Робинсона Генератор линии передачи Клистронный генератор Резонаторный магнетрон Генератор Ганна