11.2. Генератор сигналов треугольной формы

Генератор строится на основе интегратора рис.11.5. Если на вход интегратора подать постоянное напряжение, то на его выходе, сигнал будет изменяться линейно согласно выражения

.

Скорость изменения напряжения на выходе интегратора будет зависеть от величины входного напряжения и постоянной интегрирования RC. Если знак входного напряжения менять каждый раз, когда напряжение на выходе интегратора достигнет величины порогового напряжения +U_порили –U_пор, то на выходе будет сигнал треугольной формы, как показано на рис.11.6.

Переключение напряжения на входе интегратора осуществляется с помощью компаратора с гистерезисом и управлением по положительному входу операционного усилителя. Рассмотрим более подробно работу компаратора, схема которого приведена на рис.11.7..

Для анализа работы компаратора предположим, что напряжение на его выходеU_комправно положительному напряжению насыщенияU_нОУ. ПриU_вх > 0 напряжение на положительном входе ОУU₊всегда будет больше 0 и дифференциальное напряжениеU_д =U₊-U_-также будет больше 0. Следовательно выходное напряжение компаратора будет равно положительному напряжению насыщения ОУ.

Чтобы изменить состояние компаратора на U_комп= -U_н, напряжение на входе должно стать меньше некоторого порогового напряжения -U_пор. В момент переключения, когда входное напряжение достигнет величины -U_пор, напряжение на положительном входе компаратора станет равным 0. На резистореRпадает напряжение -U_пор, а на резистореR– напряжение -U_н. Пренебрегая входным током операционного усилителя и учитывая, что через резисторыRиRтечет один и тот же ток, можем записать

. Отсюда.

Чтобы схема переключилась обратно к +U_н, необходимо, входное напряжение должно стать положительным и превысить пороговое напряжение +U_пор. Аналогично рассуждая можно получить величину положительного порогового напряжения равную +U_пор= +U_н/. Величина гистерезиса компаратора будет равнаU_гист =U_пор– (-U_пор) = 2U_пор.

А теперь, если компаратор подключить к входу интегратора и выход интегратора соединить со входом компаратора, то получим схему генератора сигнала треугольной формы рис.11.8. Временная диаграмма работы генератора приведена на рис.11.9.

Определим период сигнала генератора. Напряжение на выходе интегратора за время его линейного возрастания от –U_пордостигнет величины +U_пори может быть определено из формулы

,

.

Отсюда найдем время, в течение которого напряжение на выходе интегратора возрастает от –U_пордо +U_пор

. Период сигнала будет равен.

11.3. Генератор синусоидальных сигналов с мостом Вина

Схема генератора синусоидального сигнала представлена на рис.11.10. Генератор сигнала представляет собой неинвертирующий усилитель с положительной обратной связью (ПОС). ПОС представляет собой полосовой фильтр на элементах R₁, R₂,C₁,C₂с центральной частотойf₀. Полосовой фильтр на частотеf₀ослабляет сигнал в три раза. Для компенсации снижения уровня сигнала, поступающего по цепи ПОС, коэффициент отрицательной обратной связи β делается равным 1/3 (коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен 1/β). В такой схеме коэффициент петлевого усиления равен 1.

Если коэффициент отрицательной обратной связи β = 1/3, схема находится на границе устойчивости, и в ней происходят колебания с частотойf₀с любой, заранее установленной амплитудой. Если β < 1/3, амплитуда колебаний будет расходиться и в конечном итоге установятся периодические несинусоидальные колебания с амплитудой равной напряжению насыщения ОУ. Если β > 1/3, амплитуда колебаний будет со временем стремиться к 0. Однако, точно установить величину β = 1/3 невозможно. Поэтому необходимо применять систему автоматической стабилизации амплитуды. Один из вариантов генератора с автоматической стабилизацией амплитуды показан на рис.11.11. В этой схеме

стабилизацию амплитуды обеспечивают два встречно-параллельно включенных диода. Стабилизация осуществляется за счет изменения динамического сопротивления диодов при изменении тока, протекающего через него. Динамическое сопротивление диода определяется по формуле r_д=U_т /I_{д, где} U_т– термический потенциал, который равен 25,5 мВ при комнатной температуре. При увеличении амплитуды выходного сигнала увеличивается ток через диод, уменьшается его динамическое сопротивление, что приводит к увеличению коэффициента обратной связи β и уменьшению амплитуды колебаний. Если амплитуда уменьшается, то уменьшение тока через диод приводит к увеличению динамического сопротивления диода. Коэффициент β уменьшается, а амплитуда сигнала увеличивается.

Схема легко запускается, так как при малых амплитудах динамическое сопротивление диода большое, коэффициент β < 1/3 и в схеме развиваются автоколебания. Резистор обратной связи выбирается так, чтобы ограничить искажения, и может быть выбран экспериментально по наименьшим искажениям.

Частота колебаний генератора определяется из выражения

.

Обычно R₁ =R₂ =Rи С₁= С₂= С, т.о.

.

Применение буферного усилителя на выходе необходимо. Временная диаграмма работы генератора показана на рис.11.12.