Генератор Twin-T

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой генераторов сигналов, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Генератор Twin-T

Генератор Twin-T — это еще одна схема RC-генератора, которая использует две параллельно соединенные RC-цепи для создания синусоидального выходного сигнала одной частоты.

Генераторы Twin-T — это еще один тип RC-генератора, который выдает синусоидальный выходной сигнал для использования в приложениях с фиксированной частотой, аналогичных генератору с мостом Вайна. Генератор Twin-T использует две RC-цепи в форме «Т» в своей обратной связи (отсюда и название) между выходом и входом инвертирующего усилителя.

Как мы видели, генератор в основном представляет собой усилитель с положительной обратной связью, который имеет фиксированную величину усиления напряжения, необходимую для поддержания колебаний, и генератор Twin-T ничем не отличается.

Обратная связь обеспечивается RC-цепью, сконфигурированной в виде Twin-T, что позволяет возвращать часть выходного сигнала на входной терминал усилителя. Таким образом, RC-цепь Twin-T обеспечивает сдвиг фазы на 180°, а усилитель обеспечивает еще 180° сдвига фазы. Эти два условия создают в общей сложности 360° сдвига фазы, что позволяет поддерживать колебания.

В отличие от типичного RC-генератора со сдвигом фаз, который конфигурирует резисторы обратной связи и конденсаторы в лестничную сеть, или стандартного генератора с мостом Вина, который использует резисторы и конденсаторы в мостовой конфигурации.

Двойной Т-генератор (иногда известный как параллельный Т-генератор) использует пассивную резистивно-емкостную (RC) цепь с двумя взаимосвязанными «Т»-секциями (имеющими элементы R и C в противоположной конфигурации), соединенными вместе параллельно, как показано.

Сеть Twin-T

Очевидно, что одна из пассивных RC-цепей имеет низкочастотный отклик, а другая — высокочастотный, и мы уже видели эту схему RC-цепи в нашем руководстве по режекторному фильтру.

На этот раз разница в том, что мы используем объединенные параллельные RC-цепи с Т-образной конфигурацией для получения отклика типа режекторного фильтра, центральная частота которого ƒc равна желаемой нулевой частоте колебаний.

В результате колебания не могут возникать на частотах выше или ниже настроенной частоты режекторного фильтра из-за отрицательной обратной связи, созданной через двухцепочечную сеть.

Однако на настроенной частоте любая отрицательная обратная связь становится незначительной, что позволяет положительной обратной связи, созданной усилительным устройством, доминировать, создавая колебания на одной единственной частоте (в отличие от генератора с мостом Вина, который можно регулировать в большом диапазоне частот).

Затем частотно-избирательная двухцепочечная сеть двухцепочечного генератора двухцепочечного генератора создает выходную передаточную функцию, в которой частота, глубина и фазовый сдвиг режекторного фильтра определяются используемыми значениями компонентов. Таким образом, отдельные двойные Т-образные цепи, составляющие RC-цепь, определяются следующими уравнениями: 

Для низкочастотной R-C-R-цепи:

Для высокочастотной сети C-R-C:

Объединение этих двух наборов уравнений даст нам окончательное уравнение для нулевой или центральной частоты провала, приводящего к колебаниям в двух-Т-сети

Где:

• ƒC — частота колебаний в Герцах

• R — сопротивление обратной связи в Омах

• C — емкость обратной связи в Фарадах

• π (пи) — константа со значением около 3,142

Определив схему двойного Т-образного генератора, который обеспечивает требуемый сдвиг фазы на 180°, что происходит на нулевой частоте от -90° до +90° (в отличие от нуля до 180° для генератора с мостом Вина), нам нужна схема усилителя для обеспечения усиления напряжения. Схемы двойного Т-образного генератора лучше всего реализовать путем объединения схемы обратной связи RC с операционным усилителем, поскольку из-за их высоких характеристик входного импеданса операционные усилители, как правило, лучше работают с этим типом генератора по сравнению с транзисторами.

Усиление Twin-T

Стандартные операционные усилители могут обеспечить высокий коэффициент усиления напряжения, высокое входное сопротивление, а также низкое выходное сопротивление и, следовательно, являются превосходными усилителями для генераторов с двумя Т-образными элементами. На частоте колебаний ƒc коэффициент усиления обратной связи падает почти до нуля, поэтому нам требуется усилитель с коэффициентом усиления напряжения, намного большим единицы (единицы).

Положительная обратная связь, необходимая для колебаний, обеспечивается резистором обратной связи R1, в то время как резистор R2 обеспечивает запуск. Как правило, чтобы гарантировать, что схема будет колебаться как можно ближе к требуемой частоте, отношение этих двух резисторов должно быть больше ста (>100).

Чтобы получить требуемый положительный коэффициент усиления на частоте колебаний, мы можем использовать конфигурацию неинвертирующего усилителя, в которой небольшая часть выходного сигнала напряжения подается непосредственно на неинвертирующий (+) входной терминал через подходящую сеть делителя напряжения.

Отрицательная обратная связь, создаваемая схемой генератора с двумя Т-образными элементами, подключена к инвертирующему (–) входному терминалу. Эта замкнутая конфигурация создает неинвертирующую схему генератора с очень хорошей стабильностью, очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, как показано на рисунке.

Схема генератора Twin-T

Затем мы видим, что генератор twin-T получает свою положительную обратную связь на неинвертирующий вход через сеть делителя напряжения и свою отрицательную обратную связь через RC-цепь twin-T. Чтобы гарантировать, что схема будет колебаться на требуемой одной частоте, резистор «Tee-leg» R/2 может быть регулируемым подстроечным потенциометром, но также может быть настроен для компенсации допусков конденсатора, так что схема будет колебаться при запуске.

Пример генератора Twin-T №1

Для получения синусоидального выходного сигнала частотой 1 кГц для использования в электронной схеме требуется схема генератора с двумя Т-образными транзисторами. Если используется операционный усилитель с коэффициентом усиления 200, рассчитайте значения определяющих частоту компонентов R и C, а также значения резисторов усиления. Частота колебаний должна составлять 1 кГц, если мы выберем разумное значение для двух резисторов обратной связи, R = 10 кОм (помните, что эти два резистора должны иметь одинаковые значения), мы можем рассчитать требуемое значение конденсатора, используя формулу для частоты колебаний, приведенную выше.

Таким образом, R = 10 кОм, а C = 16 нФ. Центральный конденсатор тройника 2C = 2 x 16 нФ = 32 нФ, поэтому используется ближайшее предпочтительное значение 33 нФ.

Поскольку значение тройника-конденсатора высокочастотной ветви составляет 33 нФ и, следовательно, не совсем равно 2C (2 x 16 нФ), мы можем скорректировать это изменение и обеспечить правильный запуск колебаний, отрегулировав тройник-резистор низкочастотной ветви на ту же величину.

Таким образом, точное значение R(leg) будет 10 кОм/2 = 5 кОм, но расчетное значение этого резистора дается как: R(leg) = R/(33 нФ/16 нФ) = 4,85 кОм. Очевидно, что тогда использование подстроечного резистора 5 кОм будет соответствовать нашим требованиям в этом примере.

Коэффициент усиления контура операционного усилителя должен быть равен 200, поэтому, если мы выберем значение 1 кОм для R2, то резистор R1 будет равен 200 кОм, как показано на рисунке.

Окончательная схема генератора Twin-T

Краткое описание схемы генератора Twin-T

В этом руководстве мы увидели, что схемы генератора Twin-T можно легко построить, используя некоторые пассивные компоненты и операционный усилитель. Схема генератора Twin-T использует настроенную RC-цепь для цепи обратной связи, чтобы создать требуемую синусоидальную выходную форму волны. Будучи двумя T-цепями, соединенными вместе параллельно, они работают в противофазе друг с другом, создавая нулевой выход на нулевой частоте, но конечный выход на всех других частотах.

В результате схема не будет колебаться на частотах выше или ниже настроенной частоты из-за отрицательной обратной связи через RC-цепь Twin-T. Поэтому на нулевой частоте напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя находится в фазе с его выходным напряжением, что приводит к непрерывным колебаниям на желаемой частоте.

Чтобы гарантировать, что частота колебаний максимально близка к нулевой частоте, можно использовать подстроечный резистор в тройниковом резисторе каскада нижних частот, чтобы сбалансировать RC-цепь для запуска и чистоты выходной формы волны.

Одним из основных недостатков «двойного Т-образного генератора» является то, что частота колебаний и качество выходного сигнала во многом зависят от взаимодействия резисторов и конденсаторов в двойной Т-образной схеме, поэтому очевидно, что значения и выбор этих компонентов должны быть точными, чтобы обеспечить колебания на желаемой нулевой частоте.