12. Генератор синусоидального напряжения на оу

При испытаниях и настройке электронной аппаратуры часто возникает необходимость иметь источник синусоидального напряжения, обладающий малым (менее 0,05 %) уровнем нелинейных искажений.

На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажений служит мостовой генератор Вина (рис. 46, а) [3].

а) б)

Рис. 46. Мостовые генераторы Вина с малыми искажениями

Принцип работы схемы заключается в том, чтобы создать усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 180° на частоте выходного сигнала, а затем отрегулировать петлевое усиление таким образом, чтобы возникли автоколебания с частотой

f = 1/πRC.

Для одинаковых значений R и С коэффициент усиления по напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем входе ОУ должен быть точно равен +3,0. При меньшем усилении колебания затухают, при большем – выходной сигнал будет достигать насыщения. Искажение будет малым, пока амплитуда колебаний не выходит за пределы линейного участка характеристики усилителя, т. е. не следует допускать колебаний полного размаха до уровней ограничения ОУ.

В схеме на рис. 46, а в качестве элемента обратной связи с переменным сопротивлением используется лампа накаливания. При повышении уровня выходного сигнала нить лампы нагревается, уменьшая коэффициент усиления неинвертирующего усилителя. Искажения гармонического сигнала в показанной схеме для диапазона звуковых частот (выше 1 кГц) не превышают 0,003 % [3]. В схеме рис. 46, б амплитудный детектор, состоящий из диодов и RС-цепи, регулирует усиление по переменному току, меняя сопротивление канала полевого транзистора, который при малых напряжениях ведет себя как нелинейное сопротивление. Следует отметить, что используется большая постоянная времени (2 с); для исключения искажений это существенно, поскольку быстродействующая обратная связь исказила бы форму генерируемого синусоидального сигнала, пытаясь регулировать его амплитуду в пределах одного периода.

13. Компаратор и триггер Шмитта

Представленная на рис. 47 схема инвертирующего компаратора предназначена для сравнения двух входных напряжений.

Рис. 47. Компаратор

Схема выполнена на базе операционного усилителя без обратной связи. Его выходное напряжение составляет

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 48. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений , поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Рис. 48. Передаточная характеристика компаратора

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания операционного усилителя ограничена. Например, для стандартного частотно-скорректированного операционного усилителя она составляет около 1 В/мкс. Таким образом, переход с уровня –12 В на уровень +12 В длится 24 мкс. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при его выходе из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается [2].

Так как в рассматриваемой схеме операционный усилитель не охвачен обратной связью и не нуждается в частотной коррекции, скорость нарастания увеличивается и время восстановления уменьшается по меньшей мере в 20 раз.

Существенно меньших значений времени задержки можно добиться, если использовать специализированные интегральные компараторы. Они предназначены для работы без обратной связи и имеют особо малые значения времени восстановления. Коэффициент усиления, а следовательно, и точность установки порога срабатывания этих ИС несколько меньше, чем у стандартных операционных усилителей. Выход такого усилителя связан, как правило, со встроенным преобразователем уровня сигнала, благодаря которому такой компаратор может непосредственно соединяться со входами цифровых схем. Компаратор LM 339 фирмы National имеет, например, выход с открытым коллектором, а его время задержки составляет около 500 нс. Компаратор NE 521 фирмы Signetics имеет стандартный ТТЛ-выход и время задержки около 8 нc.

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения ∆U_e.

Схема триггера Шмитта, представлена на рис. 49, гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения ,.

Рис. 49. Инвертирующий триггер Шмитта

Если к инвертирующему входу приложено большое отрицательное напряжение , то выходное напряжение компаратора составит . На неинвертирующем входе потенциал будет составлять

U_{P макс} = U_{а макс}∙R₁/(R₁+R₂).

При повышении входного напряжения U_eвеличина выходного напряжения U_aсначала не меняется. Но как только U_eдостигает значения U_{P макс}, выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на неинвертирующем входе U_P. Благодаря действию этой положительной обратной связи, U_а скачком падает до величины U_{а мин},а потенциал U_P принимает значение

U_{P мин} = U_{а мин}∙R₁/(R₁+R₂).

Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения U_{а макс}только тогда, когда входное напряжение достигнет значенияU_{P мин}. Напряжения U_{P макс} и U_{P мин} представляют собой соответственно верхний (U_{е выкл} = U_{P макс}) и нижний (U_{е вкл} = U_{P мин}) пороги срабатывания триггера Шмита. Передаточная характеристика, соответствующая схеме триггера Шмитта, представлена на рис. 50.

Рис. 50. Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта

Рис. 51 иллюстрирует одну из важнейших областей применения триггера Шмитта. Он используется для преобразования входного напряжения произвольной формы в прямоугольное напряжение с заданным временем установления, не зависящим от формы входного напряжения.

Рис. 51. Диаграмма работы инвертирующего триггера Шмитта