Чем определяется частота колебаний в rc генераторе

Чем определяется частота колебаний в rc генераторе

RC-генератор

Устройство RC-генератора, принцип работы

В статье LC генератор мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле

То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.
Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы
принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.
С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной «Н»!!). Вот так он выглядит:

Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,( но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:

Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.

Чем определяется частота колебаний в rc генераторе

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС.

Внешний входной сигнал отсутствует. На входе усилителя действует только выходной сигнал ОС UOC. А на входе ОС действует UВХОС=UВЫХ. Поэтому коэффициент усиления такой схемы.

Условием, обеспечивающим наличие сигнала на выходе генератора при отсутствии внешнего входного сигнала является К→ ∞, то есть .

При выполнении этого условия любой усилитель, охваченный ПОС становится генератором, на выходе его появляются колебания, независимые от входного сигнала (автоколебания). Явление возникновения автоколебаний в усилителе называется самовозбуждением.

Условие возникновения автоколебаний можно разделить на две составляющие:

1) Условие баланса амплитуд: К∙β=1. Физический смысл: результирующее усиление в контуре, состоящем из последовательного соединения усилителя и цепи ОС должно быть равно единице. Если цепь ОС ослабляет сигнал, то усилитель должен на 100% компенсировать это ослабление. То есть если в любом месте разорвать контур ПОС и на вход подать сигнал от внешнего источника, то пройдя по контуру К∙β с выхода разрыва цепи ОС вернется сигнал точно такой же амплитуды, что был подан на вход разрыва.

2) Условие баланса фаз: arg(K·β)=0. Физический смысл: результирующий фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС должен быть равен нулю (или кратен 2π). То есть при подаче сигнала на разрыв, вернувшийся сигнал будет иметь точно такую же фазу. При выполнении этого условия ОС будет положительна.

Для существования автоколебаний необходимо одновременное выполнение этих условий. Если эти условия выполняются не для одной частоты, а для целого спектра частот, то генерируемый выходной сигнал будет сложным (не гармоническим). Для обеспечения синусоидальности выходного сигнала генератор должен генерировать сигнал только одной единственной частоты. Для этого необходимо, чтобы условия возникновения автоколебаний выполнялись для единственной частоты, которая и будет генерироваться. Для этого делают К или β частотно-зависимыми. Как правило β имеет максимум β0 на некоторой частоте ω0. Поэтому на ω0 и коэффициент усиления будет иметь максимум К0. Величины К0 и β0 обеспечивают такими, чтобы они удовлетворяли условиям возникновения автоколебаний. Тогда при отклонении частоты от ω0 и условия возникновения автоколебаний выполнятся не будут, что приведет к затуханию колебаний этой частоты и на выходе генератора будут только гармонические колебания частоты ω0.

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

3.1.1 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1 (имеющей индуктивность L) и W2 (рисунок 3.1.1.1).

Рисунок 3.1.1 Генератор LC-типа

Напряжение U2 является напряжением ОС. Оно связано с напряжением первичной обмотки W1 коэффициентом трансформации

Коэффициент трансформации в данном случае является коэффициентом передачи ОС, показывая какая часть напряжения передается на вход. Для выполнения баланса амплитуды на частоте ω0 должно выполнятся равенство

Из этого условия рассчитывается необходимое число витков вторичной обмотки, чем обеспечивается условие баланса амплитуд. Для обеспечения баланса фаз необходимо обеспечить соответствующее включение начал и концов обмоток, чтобы ОС была положительной. Емкость С1 выбирают такой, чтобы ее сопротивление на частоте генерации было незначительным по сравнению с R2. Это исключает влияние сопротивления делителя на ток во входной цепи транзистора, создаваемый напряжением ОС. Назначение RЭ и СЭ такое же, как в обычном усилительном каскаде. LC-генераторы, также как и LC-избирательные усилители применяют в области высоких частот, когда требуются небольшие величины L и имеется возможность обеспечить высокую добротность LC-контура. А на низких и инфранизких частотах, когда построение LC-генератора затруднительно, используют RС цепи тех же типов, что и для избирательных усилителей.

3.1.2 RC- генераторы

RC генераторы используют для задания частоты резисивно – емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления (рисунок 3.1.2.1).

Рисунок 3.1.2.1 Частота генератора рассчитывается по формуле

В этом генераторе для возникновения колебаний усилитель должен иметь бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление –равное 0.

Тогда, если конденсаторы и резисторы имеют равные реактивные и активные параметры, условием существования колебаний будет равенство коэффициента усиления числу 29. Такое усиление необходимо для компенсации затухания в фазосдвигающей цепочке. Фазовый угол этой цепочки на частоте колебаний равен 180°, а усилитель должен инвертировать сигнал, с тем, чтобы общий сдвиг фазы по всему контуру был равен 0 (условие генерации).

Частота колебаний генератора определяется выражением:

RC генераторы

RC генераторы — это генераторы в которых в качестве частотно задающего элемента используются сопротивления и конденсаторы. RC генераторы позволяют получить самые дешевые и малогабаритные генераторы. Кроме того они могут перестраиваться по частоте в широких пределах. Это обусловило широкое распространение RC генераторов в цифровой технике.

В настоящее время большинство микроконтроллеров, вычислительных и сигнальных процессоров используют RC генераторы для своего тактирования. При этом они реализуются как в виде калиброванных генераторов на фиксированную частоту, так и как составляющая часть цепей фазовой автоподстройки частоты (PLL).

Следует отметить, что для тактирования цифровых устройств нужны генераторы прямоугольных импульсов. Кроме того, генератор желательно выполнить на логических элементах. В качестве подобной схемы RC генератора можно привести мультивибратор, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема RC-генератора (мультивибратора) на логических элементах

В этой схеме частота выходных импульсов зависит от значений элементов R1, C1 и R2, C2. Соотношение между RC цепочками позволяет регулировать скважность выходных импульсов, однако в большинстве случаев соотношение между длительностью нулевого и единичного потенциала в выходном колебании не интересует разработчиков цифровой аппаратуры. Поэтому схему RC генератора можно упростить, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема RC генератора тактовых импульсов для цифрового устройства

При применении в RC генераторе КМОП микросхемы выходные токи нуля и единицы будут равны и форма напряжения на выходе мультивибратора будет близка к меандру (длительность нулевого и единичного сигнала равны). Пороговое напряжение переключения напряжения инвертора составляет половину напряжения питания.

Временные диаграммы на входе и выходах логических инверторов RC генератора приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы сигналов на выводах инверторов мультивибратора

Переключение первого инвертора из единичного состояния в нулевое и наоборот будет происходить при достижении напряжения на входе значения половины питания. Это произойдет за время, описываемое следующим выражением:

Отсюда можно выразить время половины периода колебания RC генератора:

t1 = −R·C·ln(0,5) = 0,69·RC.

Полный период, соответственно будет равен:

что соответствует частоте выходных колебаний генератора:

f = 0,72/R·C

Из данного выражения видно, что частота генератора определяется значением сопротивления R1 и конденсатора C1. Большую емкость трудно сделать в интегральном исполнении, поэтому обычно ее задают в пределах . Конкретное значение частоты RC генератора будет определяться сопротивлением резистора R1. В интегральном исполнении в качестве этого резистора используют полевой транзистор.

В ряде случаев нужно регулировать частоту RC генератора. Полевой транзистор позволяет изменять сопротивление от сотен Ом до единиц мегаом, что приводит к изменению частоты в десятки тысяч раз. Это очень удобно для изменения энергопотребления цифровых устройств. Принципиальная схема тактового генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема RC генератора, управляемого напряжением

В схеме RC-генератора, приведенной на рисунке 4, на транзисторах VT2, VT3 и VT4, VT5 собраны логические инверторы, а транзистор VT1 служит управляемым сопротивлением, при помощи которого изменяется частота на выходе RC генератора. Как видно из рисунка 4, схема ГУН получилась очень простой и занимающей на кристалле очень маленькую площадь. Это позволяет применять ее в составе систем тактовой синхронизации большинства современных цифровых микросхем, построенных по схеме фазовой автоподстройки частоты.

Дата последнего обновления файла 19.04.2019

Понравился материал? Поделись с друзьями!

1. Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. — 12-е издание. М.: Додэка XXI, 2015. — 1784
2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники: Пер. с англ. — 7-е издание. — М.: БИНОМ. — 2016. — 704 с.

Вместе со статьёй «RC генераторы» читают:

Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний.

Генераторы синусоидальных колебаний.

T ремя основными типами электронных генераторов сигналов синусоидальной формы являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.
LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соедененных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. LC генераторы используют в основном, в диапазоне радиочастот. На низких(звуковых) частотах удобнее применять RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используются резистивно — емкостная цепь.

LC генераторы синусоидальных колебаний.

Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.

Генератор Хартли.

В генераторе Хартли, или как еще называют эту схему — индуктивной трехточке положительная обратная связь, необходимая для возникновения колебаний берется с отвода катушки индуктивности(L1 — L2) колебательного контура.

Генератор Колпитца.

В генераторе Колпитца (емкостной трехточке) положительная обратная связь снимается с средней точки составной емкости(C1 — C2) колебательного контура. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли и более часто используется. Когда требуется высокая стабильность, используют кварцевые генераторы.

Кварц — это материал, способный преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Если к кристаллу кварца приложить переменное напряжение, он начнет колебаться, в такт с его частотой. Каждый кристалл обладает собственной резонансной частотой, зависящей от его размеров и структуры. Чем ближе частота приложенного напряжения, к резонансной частоте, тем выше интенсивность колебаний. Для изготовления кварцевого резонатора на кристаллическую пластинку кварца наносят металлические электроды.

Схема кварцевого генератора Хартли с параллельной обратной связью.

Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, волновое сопротивлние(импенданс) кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром. Колебательный контур возвращается на частоту кварца.

Генератор Пирса.

Очень популярная схема, поскольку в ней не используются катушки индуктивности.

Верхний предел резонанса кварца составляет 25 МГц. Если необходим стабильный генератор на более высокой частоте используют схему Батлера. Колебательный контур настраивается на частоту кварца или на частоту одной из его нечетных гармоник (третьей или пятой).

RC генераторы синусоидальных колебаний.

RC генераторы используют для задания частоты резисивно — емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Частота генератора рассчитывается по формуле.

R в этой формуле — значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые). C — это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)

Генератор на основе моста Вина – двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.

Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше. Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 — примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.

Где C — номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления — R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно — 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний в больших пределах.

Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы различной емкости, в качестве С1, С2 и С3. Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности — для настройки различных усилительных каскадов.

Генераторы несинусоидальных колебаний.

Генераторы несинусоидальных колебаний применятся для создания периодических электрических сигналов произвольной формы – прямоугольной, пилообразной или треугольной формы.

Блокинг – генератор.

Пока конденсатор заряжен — транзистор закрыт. Но конденсатор постепенно разряжается через резистор и запирающее напряжение исчезает. Транзистор начинает приоткрываться — появляется ток в цепи обмотки трансформатора, соответственно на вторичной обмотке возникает напряжение способствуещее лавинообразному открыванию транзистора.
Транзистор переходит в режим насыщения — конденсатор заряжается через переход эмиттер – база, напряжение в вторичной обмотке падает до нуля. Транзистор запирается, после чего процесс повторяется снова и снова.

Очень часто, схему блокинг — генератора используют в различных устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный. Это — различные импульсные блоки питания, вариации которых встречаются в современной аппаратуре очень широко. Преобразователи постоянного тока в переменный, с повышением выходного напряжения — являются основой целого ряда устройств, разной степени полезности — от портативного мегаомметра, до карманного электрошокера.

Мультивибратор.

Мультивибратор — генератор импульсов формы близкой к прямоугольной. Его основу составляют два усилительных каскада связанных между собой так, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого. Получается, что они по очереди запирают друг друга. Частота зависит от емкости конденсаторов, и величины сопротивления резисторов, через которые осуществляется их разряд.

Мультивибратор можно легко собрать, используя широко распостраненные детали, на абсолютно любых биполярных транзисторах. Кроме основной частоты рассчитываемой по формуле:

мультивибратор вырабатывает большое количество дополнительных гармоник. Если применив высокочастотные транзисторы собрать мультивибратор с основной частотой в звуковой области(лучше около 1000 гц), то частоты высших гармоник оказываются в какой то степени, промодулированными на этой, основной частоте. Получается, что подобный генератор может использоваться как универсальный пробник, для проверки как радиочастотных усилительных трактов, так и каскадов усиления низкой(звуковой) частоты.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

LC и RC-генераторы

Дата добавления: 2014-06-19 ; просмотров: 11530 ; Нарушение авторских прав

6.2.1 LC- генераторы..

Множество существующих схем LC—генераторов отличаются способами включения колебательного контура и создания ПОС. Популярна схема с колебательным контуром, подключенным тремя точками к остальной схеме (поэтому схема генератора называется трехточечной). Частота колебаний определяется собственной частотой резонансного контура.

При включении питания в контуре возбуждается частота

f = . Поданная на базу транзистора, она усиливается и подаётся на выход и обратно на контур для поддержания колебаний. Важно, чтобы энергии усиленных колебаний хватило на поддержание колебаний. Разделительные емкости Ср не позволяют поступать в контур и на нагрузку постоянному току. Индуктивность L затрудняет прохождение колебаний через источник питания, который может иметь очень малое сопротивление переменному току.

В зависимости от характера элемента, подключаемого к базе (в данной схеме—индуктивность), трехточечные схемы бывают индуктивными или емкостными.

Для построения LC-генераторов гармонических колебаний удобно использовать интегральные операционные усилители.

Часто связь с транзистором осуществляют с помощью трансформатора.

6.2.2 RC—генераторы. Стабилизация частоты.

LC-генераторы хороши для высоких частот: чем выше частота, тем меньше размеры конденсаторов и емкостей. Для низких частот выгодно применять RC—генераторы., тем более, что технологически выгоднее использовать сопротивления.

Для того, чтобы устройство работало на постоянной частоте используются RC-цепи, главной особенностью которых является высокий коэффициент передачи на одной частоте и низкий на других частотах. Вследствие этого одна из частот усиливается, другие подавляются. Такая цепь устанавливается на входе первого усилительного каскада генератора.

Для генерации необходима положительная ОС. Так как один каскад создает фазовый сдвиг 180 0 , необходим второй каскад. Суммарный сдвиг по фазе составит 360 0 , что эквивалентно нулю. Первый каскад собран на основе транзистора VT1, второй –на основе VT2. Второй каскад—обычный усилитель с ООС и разделительным конденсатором С3.

ПОС генератора создается с помощью частотно-зависимого четырехполюсника, состоящего из резисторов R1 и R3, конденсаторов С1 и С2. Такой четырехполюсник хорошо пропускает частоту f, на которую он рассчитан, но сильно ослабляет другие частоты и известен под названием мост Вина. Сопротивление R3 дополнительно участвует в цепи смещения базы транзистора. На четырехполюсник подается напряжение с выхода второго каскада. Эмиттерной ООС в цепи первого каскада быть не должно, так как она уменьшает коэффициент усиления каскада. Обычно выбирают R1=R2=R и C1=С2=С. Тогда частота генерации

f =

Условие R1=R2 практически невыполнимо из-за шунтирования резистора R3 транзистора.

Значительно проще выполнить RC—генератор с помощью ОУ. При этом легко выполнить его перестраиваемым по амплитуде с помощью второго входа (резистор R4). Как видно из рис. ПОС осуществляется через мост Вина от выхода на неинвертирующий вход. Частоту можно регулировать одновременным изменением сопротивлений или емкостей (сдвоенными регуляторами)

Частотно-зависимые четырехполюсники могут иметь максимальный коэффициент передачи вблизи резонансной точки, либо минимальный. В зависимости от этого его необходимо устанавливать либо в цепь неинвертирующего входа (как на рис.), либо в цепь инвертирующего входа ОУ.

На частоту генератора влияет множество факторов (температура, напряжение ИП, влажность, нагрузка и т.д.). Большинство методов стабилизации частоты сводится к уменьшением потерь автогенератора. Но наиболее эффективным способом стабилизации частоты является применение кварцевых стабилизаторов.

Кварц в первом приближении представляет собой последовательно соединенные сопротивление, емкость и индуктивность, т.е. он является последовательным резонансным контуром. Резонансная частота его определяется выражением

f= .

Частота кварца определяется его размерами. Обычно кварц включают в цепь ОС. Для выполнения условий самовозбуждения необходимо, чтобы частота генератора была кратна частоте кварца. Генератор работает на частоте кварца (при равенстве частот) или на частоте гармоник кварца.

Кварцевая стабилизация позволяет стабилизировать относительную частоту генератора на два-три порядка по сравнению с обычными генераторами. Для получения более высокой степени стабилизации частоты применяют термостатирование.

RC-генератор синусоидальных сигналов с регулировкой частоты одним потенциометром

Texas Instruments LM324

Михаил Шустов — г. Томск

Для получения периодических низкочастотных колебаний синусоидальной формы используют RC-генераторы нерегулируемой и регулируемой частоты. К генераторам первого вида относят автогенераторы с лестничной многозвенной фазосдвигающей RC-цепью (R- или С-параллель). Как несложно заметить, очевидным недостатком таких генераторов является невозможность регулирования частоты простыми средствами, что резко ограничивает область практического применения подобных генераторов.

В 1891 г. немецкий физик Макс Вин (Max Wien, 1866–1938) для измерения импедансов электрических цепей предложил пассивный четырёхполюсник на основе RC-фильтров верхних и нижних частот (мост Вина). 11 июля 1939 г. американец Уильям Реддингтон Хьюлетт (William Reddington Hewlett, 1913–2001) подал заявку на изобретение и 6 января 1942 г. получил патент США № 2268872 на «Перестраиваемый генератор звуковой частоты». Это был первый низкочастотный перестраиваемый генератор на RC-элементах [1].

Теоретические обоснования и условия возбуждения незатухающих синусоидальных колебаний в RC-генераторах рассмотрены в работах [2–4].

Современные RC-генераторы с возможностью плавной перестройки частоты выполняют с использованием моста Вина (Вина – Робинсона), Рисунок 1а; одинарного или двойного Т-образных мостов, Рисунок 1б, а также с использованием квадратурных генераторов [2, 3], фазовращателей на операционных усилителях, функциональных генераторов [5–7]. Во всех этих случаях для регулировки частоты используют сдвоенный потенциометр.

Проблему создания RC-генератора синусоидальных сигналов с регулировкой частоты одним потенциометром удалось решить за счет использования сбалансированного симметричного резистивно-емкостного моста, Рисунок 1в, плечи которого состоят из последовательно включенных резисторов и конденсаторов, причем соотношение активных и реактивных сопротивлений плеч равно и должно иметь значение не менее 2.5.

Плечо моста низкого активно-реактивного сопротивления подключено к выходу первого операционного усилителя, Рисунки 2 и 3, а высокого – к выходу второго операционного усилителя. Диагональ моста емкостного плеча присоединена к инвертирующему входу первого усилителя, а резистивного плеча – к инвертирующему входу второго усилителя. Между входом и выходом первого операционного усилителя включен потенциометр, регулирующий частоту генерации. Инвертирующие входы усилителей соединены с общей шиной.

Генератор, Рисунок 2, выполнен на элементах DA1.1 и DA1.2 микросхемы LM324. При выполнении условия

генератор при регулировке потенциометра R1 вырабатывает сигнал синусоидальной формы частотой от 0.3 до 1 кГц. Частоту генерации можно определить из выражения:

Коэффициент нелинейных искажений зависит от точности балансировки моста и с ростом частоты меняется в пределах от 0.6 до 2.2%. Амплитуда выходных сигналов в тех же условиях снижается от 10.9 до 8.4 В.

На Рисунке 3 показана модифицированная схема генератора, отличающаяся наличием дополнительного конденсатора C1. Генератор работает в диапазоне частот от 1 до 4.8 кГц, причем коэффициент нелинейных искажений с ростом частоты меняется в пределах от 0.6 до 1.8%. Амплитуда выходных сигналов во всем диапазоне частот не изменяется и составляет 10.9 В.

В качестве RC-комплектующих генераторов следует использовать прецизионные элементы. Для генератора, Рисунок 3, для минимизации коэффициента нелинейных искажений конденсатор C1 получают путем параллельного включения двух-трех конденсаторов – постоянной и переменной (подстроечной) емкости. При разбалансе моста генераторы переходят либо в режим генерации релаксационных колебаний низкой частоты, либо амплитуда синусоидального сигнала быстро затухает во времени.

Источник: nevinka-info.ru