Создание активных осцилляторов с помощью усилителей оповещения для генерации сигналов в тестировании и измерении

Понимание активных осцилляторов

Активный осциллятор — это электронная схема, которая генерирует непрерывную, повторяющуюся форму волны, не требуя внешнего входного сигнала после подачи мощности. Фундаментальным принципом любого осциллятора является положительная обратная связь: часть выходного сигнала подается обратно на вход таким образом, что он усиливает исходный сигнал. Для возникновения устойчивых колебаний должны быть удовлетворены два условия, известные как критерии Бархаузена: усиление петли (продукт усиления усилителя и ослабление сети обратной связи) должно быть точное единство ( | Aβ | = 1), а полный сдвиг фазы вокруг петли должен быть целым числом, кратным 360° (0° по модулю 360°). На практике усиление петли первоначально устанавливается немного выше единства для запуска колебаний, и механизм амплитуды-стабилизации уменьшает его до единства после достижения желаемой амплитуды.

Активные осцилляторы классифицируются по типу формы волны, которую они производят. Осцилляторы синеволновой волны (такие как осцилляторы Wien Bridge, фазовый сдвиг и LC-цистерны) генерируют чистые синусоидальные сигналы с низким искажением, что делает их идеальными для применения в аудио-, радиочастотных и прецизионных тестах. Осцилляторы релаксации производят несинусоидальные формы волны, такие как квадратные, треугольниковые или зубчатые волны, которые необходимы для синусоидальных цепей и цифрового логического тестирования. Выбор топологии осциллятора зависит от требуемого диапазона частот, стабильности, чистоты формы волны и простоты настройки. Осцилляторы на основе Op amp особенно привлекательны, потому что они сочетают высокий коэффициент усиления, высокий импеданс ввода, низкий импеданс вывода и универсальные конфигурации обратной связи, позволяющие точно контролировать частоту и ампли

Op Amps в дизайне осциллятора

Операционные усилители являются активными элементами усиления во многих схемах осциллятора из-за их превосходных эксплуатационных характеристик. Типичный усилитель общего назначения обеспечивает коэффициент усиления в открытом цикле, превышающий 100 дБ, высокое входное сопротивление (мегаохм до гигаохм) и низкое выходное сопротивление (десятки омов). Эти свойства позволяют дизайнеру рассматривать сеть обратной связи как почти идеальную, изолированную от эффектов загрузки усилителя. Ключевые параметры усилителя, влияющие на конструкцию осциллятора, включают скорость разряда , , , и , напряжение смещения входа .

Скорость потока ограничивает максимальную скорость изменения выходного напряжения. Для высокочастотных синусоидальных осцилляторов, op amp должен иметь скорость потока достаточно высокую, чтобы воспроизводить форму волны без искажений; в противном случае выход станет треугольным и потеряет чистоту. Продукт пропускной способности цепи определяет максимальную частоту, при которой op amp может доставлять заданный прирост замкнутого цикла. Осцилляторы, использующие стандартные op amps, такие как LM741 или TL071, как правило, ограничены несколькими сотнями килогерц, в то время как высокоскоростные op amps (например, LM7171, OPA847) могут расширять частоты колебаний в мегагерцовый диапазон. Ввод смещения напряжения и его дрейф с температурой могут сдвигать частоту колебаний и амплитуду; в прецизионных приложениях должны быть выбраны низкозах

Оп-амперы также упрощают реализацию автоматического управления коэффициентом усиления (AGC). Многие конструкции осцилляторов включают нелинейный элемент, такой как JFET, лампа накаливания, терморезистор или диодная сеть, который ощущает амплитуду выхода и регулирует коэффициент усиления петли, чтобы сохранить выход стабильным. Это устраняет необходимость ручной обрезки и обеспечивает низкое искажение в широком диапазоне условий работы.

Осциллятор моста Вин

Осциллятор моста Вин является одним из наиболее известных генераторов синусоидальной волны с использованием усилителя op. Он состоит из неинвертирующего усилителя (прирост задается резисторами Rf и Rg) и частотно-селективной сети обратной связи, содержащей два последовательных RC-рука и два параллельных RC-рука.0 = 1/2πRC), сеть обратной связи обеспечивает фазовый сдвиг 0° и затухание 1/3. Для удовлетворения критерия Бархаузена неинвертирующий коэффициент усиления op-ампера должен быть точно 3 (т.е. Rf/Rggg. На практике коэффициент усиления устанавливается немного выше 3 для начала колебаний, затем схема

Классический осциллятор моста Вина использует лампу накаливания (или терморезистор) вместо Rf или Rg. По мере повышения амплитуды выхода лампа нагревается, увеличивая сопротивление и уменьшая усиление. Этот механизм отрицательной обратной связи обеспечивает отличную стабильность амплитуды и очень низкое искажение (менее 0,1 % THD в хорошо спроектированных схемах). Современная альтернатива заменяет лампу на JFET, действующий как резистор с контролируемым напряжением, приводимый в действие диодным выпрямителем и контуром управления постоянного тока. Этот подход предлагает более быстрое время оседания и лучшую температурную стабильность.

Ключевые соображения дизайна осциллятора моста Вена:

  • Диапазон частот: Стандартные значения RC позволяют настраивать от нескольких герц до нескольких сотен килогерц. Потенциометры с двойным нажатием (R или C) обеспечивают непрерывную настройку.
  • Искажение: Используйте усилители с низким коэффициентом искажения (например, NE5532, OPA2134) и высококачественные конденсаторы (полиэстер или полипропилен).
  • Буферизация выхода: буфер с единым выигрышем после осциллятора (или с использованием импеданса низкого выхода усилителя) предотвращает изменения нагрузки от воздействия на частоту.
  • Отказ от питания: двойные штифты питания с керамическими конденсаторами 0,1 мкФ, близкими к ИС, чтобы избежать паразитических колебаний.

Для практической конструкции типичный осциллятор моста Вина с конденсатором LM741 и 10 нФ может производить чистую синусоидальную волну при 1,59 кГц с R = 10 кОм. Для регулируемой частоты заменить фиксированные резисторы с двойным потенциометром 10 кОм и изменить конденсатор на 100 нФ, чтобы получить более низкий диапазон (≈ 159 Гц до 1,59 кГц).

Осциллятор фазового сдвига

Осциллятор фазового сдвига — ещё одна рабочая лошадка для генерации синусоидальных волн, особенно на более низких частотах (обычно ниже 10 кГц). Он использует один усилитель оптики в инвертирующей конфигурации, с сетью обратной связи, состоящей из трёх или четырёх каскадных RC-фильтров высокого или низкого частотного диапазона. Каждая секция RC обеспечивает фазовый сдвиг до 60 °; три секции дают 180°-й сдвиг фазы на определённой частоте. В сочетании с инверсией 180° от инвертирующего усилителя полная фаза петли становится 360 °, удовлетворяя критерию Бархаузена. Затухание сети RC на частоте колебаний —29 (для трёх идентичных секций), поэтому усиление замкнутого цикла op-ампера должно быть не менее 29 для поддержания колебаний.

Частота колебаний для трехступенчатого осциллятора фазового сдвига RC (со всеми резисторами, равными R, и всеми конденсаторами, равными C) составляет:

f0 = 1 / (2πRC √6) ≈ 0,065/RC

Требуемый коэффициент усиления (величины) -Rf/Rв = -29.Четвертая стадия RC может быть добавлена для уменьшения требуемого коэффициента усиления примерно до 18,6, что может упростить контроль усиления и снизить искажение.

Преимущества осциллятора фазового сдвига включают его простоту (только один усилитель и горстка пассивных компонентов) и хорошую стабильность частоты при использовании высококачественных резисторов и конденсаторов. Однако настроить его сложнее, чем осциллятор моста Вена, поскольку регулировка частоты требует одновременного изменения всех компонентов R или всех C. Кроме того, выходная амплитуда может быть менее стабильной и более чувствительной к неидеальным значениям усилителя оптики, таким как ток смещения входа и конечное усиление открытого цикла. Для повышения производительности используйте сеть JFET или диодно-лимитную сеть AGC, аналогичную той, которая используется в конструкциях моста Вена.

Релаксационный осциллятор (квадратная и треугольная формы волн)

Для тестовых и измерительных применений, требующих несинусоидальных сигналов, необходимы осцилляторы релаксации на основе op amp. Классическая стабильная схема мультивибратора использует op amp с положительной обратной связью (неинвертирующий вход, подключенный к делителю напряжения) и отрицательной обратной связью через сеть синхронизации RC. Выходные переключатели между положительными и отрицательными напряжениями насыщения (обычно ± V ] SAT ≈ ± V CC - 1 В - 2 В в зависимости от усилителя op. Заряды и разряды конденсатора синхронизации через резистор, а пороговые напряжения устанавливаются резисторами положительной обратной связи. Период колебаний задается:

T = 2RC ln(1 + 2R2/R1]

где R1 и R2 образуют разделитель обратной связи.Изменяя схему с источником тока (транзистором или другим операционным усилителем), конденсатор может заряжаться линейно, генерируя треугольную волну. Добавление компаратора или триггера Шмитта производит квадратную волну. Многие ИС-генераторы функций (например, ICL8038, MAX038) по существу являются оптимизированными осцилляторами релаксации, но дискретные конструкции операционных усилителей предлагают более высокую гибкость и более низкую стоимость для одноразовых или прототипных инструментов.

Практические советы для релаксационных осцилляторов:

  • Используйте усилители выходного напряжения рельс-рельс для больших колебаний напряжения при работе от низких напряжений питания.
  • Добавить опорное напряжение к инвертирующим входам для смещения уровня DC выходной формы волны (полезно для биполярных тестовых сигналов).
  • Буфер выходной сигнал с отдельным усилителем для предотвращения воздействия емкости нагрузки на время.
  • Для высокоскоростных квадратных волн (> 100 кГц) выберите усилитель op с адекватной скоростью разбиения и рассмотрите возможность использования специального компаратора.

Дизайн-соображения для надежной осцилляции

Создание надежного активного осциллятора требует тщательного изучения нескольких практических факторов, выходящих за рамки теоретической топологии цепи.

Выбор компонентов и толерантность

Частота колебаний напрямую зависит от значений резисторов и конденсаторов. Используйте компоненты с низкими температурными коэффициентами (например, ±50 ppm/°C или лучше) и плотными допусками (1 % или 0,1 %). Для максимальной устойчивости рассмотрите возможность использования керамических или полипропиленовых конденсаторов и резисторов металлопленки. В настраиваемых осцилляторах используйте многоповоротные триммеры или прецизионные потенциометры для точного определения частоты.

Поставка электроэнергии и разъединение

Оп-ампер осцилляторы чувствительны к шуму и ряби питания. Используйте линейные регуляторы (типы с низким уровнем выпадения) для обеспечения чистых напряжений питания. Поместите электролитический конденсатор 10 мкФ и керамический конденсатор 0,1 мкФ как можно ближе к силовым штифтам ИС. Для работы с двойным подачей убедитесь, что положительные и отрицательные рельсы симметричны; в противном случае выходная форма волны может стать асимметрично обрезанной. В приборах с питанием от батареи преобразователь заряда-насоса или изолированный модуль постоянного тока может генерировать биполярное питание от одной батареи.

Стабилизация амплитуды и снижение искажений

Без какой-либо формы автоматического управления усилением амплитуда выходного сигнала осциллятора будет либо расти до тех пор, пока не произойдет обрезание (если усиление петли > 1) или распад до нуля (если усиление петли < 1). Простейшая AGC использует JFET в качестве резистора с контролируемым напряжением в пути обратной связи усилителя, приводимого в действие выпрямленной и фильтрованной версией выходного сигнала. Этот метод достигает полного гармонического искажения (THD) ниже 0,05% для синусоидальных осцилляторов. Альтернативно, пара задне-задних диодов (например, 1N4148) параллельно с одним из задаточных резисторов обеспечивает грубое нелинейное ограничение, хотя искажение выше (обычно от 0,5 до 1% THD). Для приложений с ультранизким искажением (THD < 0,001 %) может использоваться прецизионный выпрямитель с последующим интегрирующим усилителем, который управляет фотопроводящей ячейкой (например, светозависимого резистора) или аналоговым множителем.

PCB Layout и паразиты

На более высоких частотах (выше 100 кГц) паразитная емкость и индуктивность в следах ПХД могут вводить нежелательные фазовые сдвиги или ложные колебания. Сохраняйте короткие и прямые пути обратной связи, используйте наземную плоскость для минимизации площади петли и избегайте маршрутизации узлов высокого давления вблизи шумных цифровых сигналов. Компоненты поверхностного монтажа обеспечивают более низкие паразитные элементы, чем части через отверстие. В чувствительных конструкциях помещайте небольшой конденсатор (10 pF до 100 pF) через резистор обратной связи, чтобы откатывать усиление усилителя оптики на высоких частотах, предотвращая колебания на непреднамеренных гармониках.

Приложения в тестировании и измерении

Активные осцилляторы на основе усилителей Op встроены в широкий спектр тестовых и измерительных приборов, как в качестве выделенных источников сигналов, так и в качестве подсхем в более крупных системах.

  • Генераторы функций: Низкозатратные настольные и портативные генераторы функций часто используют осцилляторы моста Вены для их синусоидального выхода, в сочетании с осцилляторами релаксации для квадратных и треугольных волн. Частоту можно пропускать в электронном виде, управляя элементом AGC или изменяя постоянную времени RC с помощью резистора с контролируемым напряжением.
  • Калибраторы и стандарты: Прецизионные осцилляторы (например, 1 кГц, 10 кГц) используются для калибровки вольтметров переменного тока, анализаторов спектра и аудио-тестов. Осциллятор моста Вены с AGC на основе термистора может достигать стабильности частоты порядка 0,01 % в диапазоне умеренных температур.
  • Импеданс и сетевые анализаторы: Эти приборы требуют низкоискательных источников синусоидальной волны в широком диапазоне частот. Осцилляторы фазового сдвига иногда используются в нижних диапазонах (10 Гц до 10 кГц), где их простота и низкая стоимость являются выгодными.
  • Сигнальное моделирование: В ходе коммуникационных и радиолокационных испытаний осцилляторы операционных усилителей могут генерировать модулированные формы волн (AM, FM) путем подачи сигнала модуляции на вход AGC или частотного управления. Осцилляторы релаксации обеспечивают быстро растущие квадратные волны для цифровых логических тестовых шаблонов.
  • Сенсорное возбуждение: Многие резистивные или емкостные датчики требуют сигнала возбуждения переменного тока, чтобы избежать поляризации или измерить сложное импеданс. Осциллятор усилителя оптического действия обеспечивает чистую, регулируемую синусоидальную волну для привода цепей моста или LVDT (линейные переменные дифференциальные трансформаторы).

При выборе или проектировании осциллятора для тест-системы ключевыми спецификациями, которые следует учитывать, являются диапазон частот (с методом настройки), стабильность амплитуды (долгосрочный дрейф и температурный коэффициент), общее гармоническое искажение (THD), импеданс выхода и диапазон амплитуды выхода. Типичные генераторы коммерческих функций определяют точность частоты ±0,1% и THD ниже 0,5 % для синусоидальных волн; хорошо спроектированный осциллятор усилителя оптического действия может соответствовать или превышать эти цифры с правильным выбором компонентов и стабилизацией.

Для дальнейшего чтения по схеме проектирования и оптимизации, обратитесь к следующим ресурсам:

Таким образом, активные осцилляторы op amp остаются практичным, гибким и экономически эффективным решением для генерации тестовых сигналов в широком диапазоне частот и форм волн.Понимая основные принципы - критерии Бархаузена, определение частоты и стабилизация амплитуды - инженеры могут создавать надежные осцилляторы, которые отвечают требовательным требованиям современных приложений для испытаний и измерений.