Wien bro generator
En Wien-brogenerator er en type elektronisk generator af sinusformede svingninger .
Frekvensindstillingsdelen af denne generator er lavet på et kapacitivt-resistivt båndpasfilter , først foreslået af Max Wien i 1891 til måling af impedanser af elektriske kredsløb, og nu kaldet Wiens bro .
Oscillatoren er en elektronisk forstærker dækket af frekvensafhængig positiv feedback via en Wien-bro. Ved at ændre parametrene for Wien-broen kan generatoren generere en spænding i et bredt afstembart frekvensområde og generere en sinusformet spænding med små forskelle fra et ideelt sinusformet signal.
Historie
Kredsløbets elektroniske implementering af generatoren blev først beskrevet i William Hewletts afhandling til en mastergrad, som han forsvarede i 1939 ved Stanford University .
Hewlett grundlagde efterfølgende Hewlett-Packard- firmaet sammen med David Packard . Virksomhedens første industrielle produkt var HP200A præcisionssinusbølgegeneratoren med en Wien-bro. HP200A var en af de første kommercielt tilgængelige sinusbølgegeneratorer i laboratoriet med så lav sinusbølgeforvrængning.
Sådan virker det
Et elektrisk kredsløb bestående af forbundet i et mønster kaldes normalt en Wien-bro.
Hvis modstandsværdierne og , såvel som kapacitanserne og ikke afviger for meget, har et sådant kredsløb en udjævnet kvasi-resonans, det vil sige spændingsoverførselskoefficienten fra den højre udgang i henhold til udgangskredsløbet (indgangssignal ) til tilslutningspunktet (udgangssignal) har et maksimum ved en bestemt frekvens.
Den enkleste formel for den kvasi-resonante frekvens finder sted under lighederne:
og
i dette tilfælde er kvasi-resonansfrekvensen lig med:
Ved kvasi-resonansfrekvensen er faseforskydningen af udgangssignalet fra Wien-broen i forhold til indgangssignalet nul, og forstærkningsmodulet er 1/3. Hvis vi i feedback-sløjfen, der dækker input og output fra Wien-broen, inkluderer et aktivt ikke-inverterende forstærkerelement, ideelt set uden faseforskydning, med en overførselskoefficient på mere end 3, så stiger selvsvingninger til uendeligt i amplitude vil forekomme i kredsløbet, da dette kredsløb ikke er stabilitetskriterium for lineære systemer.
I praksis, i rigtige generatorer, stiger amplituden af sinusformede oscillationer ikke til uendeligt, men er indstillet på et vist niveau på grund af de ikke-lineære egenskaber af det aktive forstærkerelement, for eksempel den naturlige begrænsning af forsyningsspændingen, der forsyner forstærkeren. Med en ikke-lineær amplitudebegrænsning forvrænges formen af den oprindeligt forekommende sinusformede spænding, når den stiger, og bliver til sidst langt fra sinusformet, for eksempel tæt på trapezformet.
Når transmissionskoefficienten i tilbagekoblingssløjfen er mindre end 3, dæmpes tilfældigt forekommende oscillationer, da systemet i dette tilfælde er stabilt.
Således, for at opretholde sinusformede svingninger med små afvigelser fra sinusoiden i denne generator, er det nødvendigt, efter etableringen af svingninger med den ønskede amplitude, strengt at opretholde spændingsoverførselskoefficienten for det aktive forstærkerelement nøjagtigt lig med 3.
I ovenstående diagram er et eksempel på et aktivt forstærkerelement en operationsforstærker (op-amp), inkluderet til det genererede signal i henhold til det ikke-inverterende forstærkerkredsløb . Spændingsoverførselskoefficienten for den ikke-inverterende forstærker på op-amp:
Således er en stabil generering af et sinusformet signal med lav forvrængning og uden amplitudeudsving tilvejebragt for:
frekvensen af den genererede spænding vil da være lig med Wien-broens kvasi-resonansfrekvens.
De givne relationer er gyldige for ideelle passive komponenter - modstande og kondensatorer og ideelle aktive forstærkningselementer. I praksis introduceres de vigtigste afvigelser fra idealitet af forstærkeren, hovedsageligt på grund af den interne faseforskydning af udgangssignalet i forhold til indgangssignalet, som stiger med stigende frekvens. Derfor, ved en eller anden høj frekvens, vil "fremrykningen" af faseforskydningen vende den positive feedback til en negativ. Derfor er frekvensområdet for de genererede svingninger begrænset ovenfra, i praksis, af flere MHz.
Amplitude- og bølgeformstabilisering
Opretholdelse af det specificerede forhold mellem modstande af modstande i praktiske kredsløb af sådanne generatorer udføres ved at indføre afhængigheden af modstanden af disse modstande på amplituden af spændingen over dem, det vil sige brugen af ikke-lineære modstande.
Som ikke-lineære modstande anvendes termistorer med en negativ termisk modstandskoefficient (TCS) eller termiske metalmodstande med positiv TCR.
Essensen af at stabilisere modstandsforholdet er at reducere modstanden med en stigning i amplituden af den genererede spænding, eller at øge modstanden med en stigning i amplituden, eller, henholdsvis omvendt, med et fald i amplituden.
Da den frigivne effekt i modstanden er proportional med kvadratet af den effektive spænding over den, og modstandens konstante temperatur er proportional med effekten, bruges de til at stabilisere amplituden med en negativ TCS - halvledertermistorer , eller med en positiv TCS - for eksempel glødelamper med et wolframstrålingslegeme .
For at manifestere de ikke-lineære egenskaber af termoafhængige modstande for at stabilisere amplituden og formen af den genererede spænding er det vigtigt, at den etablerede temperatur i dem, forårsaget af opvarmningen af strømmen, der strømmer gennem dem, væsentligt overstiger omgivelsestemperaturen temperatur. Det er også vigtigt, for at sikre lave forvrængninger, at den iboende termiske tidskonstant for de anvendte termoafhængige modstande er mange gange større end perioden for den genererede svingning. Et yderligere krav er driften af det aktive forstærkerelement inden for lineariteten af dets overførselskarakteristik.
Ud over de populære termistive ikke-lineære negative tilbagekoblinger, der er beskrevet i sådanne generatorer, bruges parametriske negative tilbagekoblinger ofte gennem netværk med to terminaler med en ikke-lineær strøm-spændingskarakteristik , for eksempel zenerdioder eller amplitude autoreguleringssporingssystemer , hvor felteffekttransistorer bruges som spændingsstyrede modstande i feedbacksløjfen og fotomodstande i optokoblere .
Ansøgning
Den traditionelle brug af sådanne generatorer er som standardmålesignalgeneratorer. Også i forskellige elektroniske enheder, hvor højfrekvent stabilitet ikke er påkrævet med lav forvrængning af det sinusformede signal.